Analyse des Ionentransports in porösen Kohlenstoffelektroden
Ein gemeinsames Forschungsteam der Universität Leipzig, der Friedrich-Schiller-Universität Jena sowie der University of Cambridge hat die Bewegung und den Austausch von Ionen innerhalb poröser Kohlenstoffelektroden untersucht. Diese Elektroden spielen eine zentrale Rolle in Anwendungen wie Hochleistungsenergiespeichern, Wasserentsalzung und Gasspeicherung sowie weiteren elektrochemischen Technologien.
Methodik und Erkenntnisse
Zur Untersuchung des komplexen Ionentransports wurde die zweidimensionale Kernspinresonanz-Austauschspektroskopie (2D-EXSY-NMR) eingesetzt. Diese Technik ermöglicht die Verfolgung des Ionenwechsels zwischen unterschiedlichen chemischen Umgebungen und die Bestimmung der Austauschgeschwindigkeit. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht, wobei die Studie auch das Titelbild der Ausgabe gestaltete.
Die Arbeit adressiert eine langjährige Herausforderung in der Energiewerkstoffforschung: Trotz der weitverbreiteten Nutzung poröser Kohlenstoffe, deren große innere Oberfläche, hohe Leitfähigkeit und anpassbare Porenstruktur bekannt sind, ist die direkte Quantifizierung der mikroskopischen Ionenbewegung innerhalb des Porennetzwerks schwierig. Poröse Kohlenstoffelektroden weisen keine homogene Porenstruktur auf, sondern bilden eine heterogene Umgebung, durch die sich Ionen bewegen.
Porenstruktur und Elektrolyt
Poröse Elektroden bestehen aus einem festen Kohlenstoffmaterial mit Poren unterschiedlicher Größe. Dabei werden Mikroporen mit einem Durchmesser unter zwei Nanometern von Mesoporen mit Durchmessern zwischen zwei und 50 Nanometern unterschieden. Diese Poren sind mit einem Elektrolyten gefüllt, der frei bewegliche positive und negative Ionen enthält und somit den Ionentransport ermöglicht.
Quantitative Analyse mittels 2D-EXSY-NMR
„Um die Komplexität des Ionentransports zu erfassen, haben wir einen quantitativen Analyseansatz auf Basis der zweidimensionalen Austauschspektroskopie mittels Kernspinresonanz entwickelt“, erläutert Dr. Henry R.N.B. Enninful vom Felix-Bloch-Institut für Festkörperphysik der Universität Leipzig. Die Methode erlaubt die Beobachtung des zeitlichen Austauschs von Ionen zwischen verschiedenen lokalen Porenumgebungen und liefert ein realistischeres Bild der Ionenbewegung als herkömmliche Modelle.
Experimentelle Untersuchungen
Die Experimente wurden mit wässrigen LiTFSI-Elektrolyten durchgeführt, die Lithiumionen enthalten und deren Transport zwischen den Elektroden ermöglichen. Untersucht wurden zwei Modelle poröser Kohlenstoffe: CMK-3, ein mesoporöser Kohlenstoff mit überwiegend eindimensionalen, kanalartigen Poren, sowie ST-CMK-3, ein hierarchisch strukturierter Kohlenstoff mit vernetzter Porenstruktur.
Die Analyse zeigte verschiedene Austauschregime, die von schnellem Ionenaustausch an der Oberfläche bis zu langsamerer Diffusion innerhalb der Poren reichten. Im hierarchisch strukturierten Kohlenstoff konnten zusätzliche Transportwege zwischen den Porenumgebungen identifiziert werden. Prof. Dr. Rustem Valiullin von der Abteilung Angewandte Magnetische Resonanz der Universität Leipzig hebt hervor: „Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie die Vernetzung der Poren den Ionenaustausch beschleunigen und die Transporteffizienz erhöhen kann.“
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
- Prof. Dr. Rustem Valiullin
Abteilung Angewandte Magnetische Resonanz, Universität Leipzig
Telefon: +49 341 97-32515
E-Mail: valiullin@uni-leipzig.de
Veröffentlichung
Die Originalpublikation mit dem Titel „Asymmetric Multi-Site Ion Exchange in Porous Carbon Electrodes“ ist in „Advanced Energy Materials“ erschienen und online verfügbar unter: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.71126
Abbildung
Die Grafik zeigt farblich codierte Transportwege des Ionentransports durch ein Netzwerk aus Mikro- und Mesoporen in hierarchisch porösen Kohlenstoffelektroden. Sie veranschaulicht drei unterschiedliche Transportprozesse. Quelle: Dr. Henry R. N. B. Enninful, Universität Leipzig.
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