Komplexer Ionentransport in porösen Kohlenstoffelektroden

Eine neue Studie von Forschenden der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Universität Leipzig und der Cambridge University in Großbritannien hat gezeigt, wie sich Ionen innerhalb komplexer poröser Kohlenstoffelektroden bewegen und austauschen. Diese Elektroden sind für die Hochleistungs-Energiespeicherung, die Wasserentsalzung, die Gasspeicherung und andere elektrochemische Technologien von großer Bedeutung. Die Forschenden nutzten für ihre Analyse des komplexen Ionentransports die zweidimensionale NMR-Austauschspektroskopie – eine Methode, mit der sich verfolgen lässt, wie sich Ionen zwischen verschiedenen chemischen Umgebungen bewegen und wie schnell dieser Austausch stattfindet. Ihre neuen Erkenntnisse haben sie gerade in der Fachzeitschrift »Advanced Energy Materials« veröffentlicht. Zudem gestalteten sie das Titelbild für diese Ausgabe.

Ihre Arbeit befasst sich mit einer seit langem bestehenden Herausforderung in der Energiewerkstoffforschung: Obwohl poröse Kohlenstoffe aufgrund ihrer großen inneren Oberfläche, ihrer hohen Leitfähigkeit und ihrer anpassbaren Porenstrukturen weit verbreitet sind, lässt sich die mikroskopische Bewegung von Ionen durch ihre Porennetzwerke nur schwer direkt quantifizieren. Insbesondere haben Kohlenstoffelektroden keine einheitliche Porenumgebung. Stattdessen bewegen sich Ionen durch eine heterogene Landschaft.

Poröse Elektroden bestehen aus einem Festkörper mit unterschiedlich großen Hohlräumen (Poren). Man unterscheidet Mikroporen mit einem Durchmesser von weniger als zwei Nanometern (zwei Milliardstel Meter) und Mesoporen mit einer Größe zwischen zwei und 50 Nanometern. Diese Poren sind mit einem Elektrolyten gefüllt – einer Flüssigkeit, die frei bewegliche positive und negative Ionen enthält und ihren Transport ermöglicht.

»Um diese Komplexität zu erfassen, entwickelte unser Forschungsteam einen quantitativen Analyseansatz auf der Grundlage der zweidimensionalen Austauschspektroskopie mittels Kernspinresonanz, bekannt als 2D-EXSY-NMR. Diese Methode ermöglicht es uns zu beobachten, wie Ionen im Zeitverlauf zwischen verschiedenen lokalen Umgebungen ausgetauscht werden«, erklärt der Erstautor der Studie, Dr. Henry R.N.B. Enninful vom Felix-Bloch-Institut für Festkörperphysik der Universität Leipzig. Der Ansatz gehe über herkömmliche vereinfachte Modelle hinaus und liefere ein realistischeres Bild der Ionenbewegung im Inneren poröser Elektroden.

Für die Studie wurden wässrige LiTFSI-Elektrolyte genutzt. Diese Elektrolyte, die das Lithiumsalz LiTFSI enthalten und den Transport von Lithium-Ionen zwischen den Elektroden ermöglichen, waren in zwei porösen Kohlenstoffmodellen eingeschlossen: CMK-3, ein mesoporöser Kohlenstoff mit weitgehend eindimensionalen, kanalartigen Poren, und ST-CMK-3, ein hierarchisch strukturierter Kohlenstoff. Die Analyse ergab unterschiedliche Austauschregime, die von einem schnellen Austausch nahe der Oberfläche bis hin zu einer langsameren Diffusion innerhalb der Poren reichten. Im hierarchisch strukturierten Kohlenstoff beobachtete das Team zusätzliche Transportwege zwischen den Porenumgebungen. »Das verdeutlicht, wie die Porenvernetzung den Ionenaustausch beschleunigen und die Transporteffizienz verbessern kann«, sagt Prof. Dr. Rustem Valiullin von der Abteilung Angewandte Magnetische Resonanz der Universität Leipzig, der Letztautor der Studie.