title: Untersuchung von Dynamiken und Transportprozessen in hybriden Elektrolyten und heterogenen Katalysatoren
Creators: name: Heßling, Janis
Publisher: name: University of Muenster, Institutional Repository MIAMI
Year: 2025
Subjects: subject: 540 Chemistry and allied sciences

description: Der Fokus dieser Arbeit lag auf der Untersuchung hybrider Batterieelektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten (IL). Dabei wurde der Einfluss der Koordinationsumgebung auf die Dynamik und den Transport der Lithium-Ionen analysiert. Der Einschluss eines IL-Elektrolyten in den Poren von ZIF-8 führte zu einer deutlich schnelleren lokalen Li-Dynamik als im Bulk-Elektrolyten. Ein verbesserter Li-Transport im Hybridelektrolyten konnte hierbei mit vorteilhaften IL-Kationen-Porenwandwechselwirkungen in Verbindung gebracht werden. In einem ternären PEO-basierten Polymerelektrolyten wurde ein korrelierter Transport von Polymer und Li festgestellt, der vermutlich auf den Volumenerhaltungseffekt zurückzuführen ist. Zudem wurde ein neuartiges Poly(vinylimidazol)-basiertes Ionengel hergestellt. Aufgrund starker Li-Polymer-Wechselwirkungen kam es hier nicht nur zu einer Quervernetzung der Polymerketten durch Li, sondern auch zu höheren Leitfähigkeiten als im reinen IL-Elektrolyten. Das letzte Kapitel befasste sich mit Transportprozessen in heterogenen Katalysatoren. Hier konnte gezeigt werden, dass Porenwandwechselwirkungen in kleinen Poren zu Transportlimitierungen führen können.
description: Kapitel 1 Einleitung ..... 1
Kapitel 2 Stand der Forschung ..... 7
2.1 Batterien ..... 7
2.1.1 Die Lithium-Ionen-Batterie heute ..... 7
2.1.2 Die Lithium-Batterie der Zukunft ..... 8
2.2 Elektrolyte für Lithium-Batterie ..... 10
2.2.1 Festkörperelektrolyte ..... 10
2.2.2 Ionische Flüssigkeiten ..... 13
2.2.3 Hybridelektrolyte ..... 14
2.3 Transportmechanismen ..... 19
2.4 Transportprozesse in der heterogenen Katalyse ..... 21
Kapitel 3 Theoretische Grundlagen ..... 23
3.1 Kernspinresonanzspektroskopie ..... 23
3.1.1 Kernspin-Relaxation ..... 23
3.1.2 Gepulste Feldgradienten-NMR ..... 27
3.1.3 Elektrophoretische NMR ..... 31
3.2 Impedanzspektroskopie ..... 37
3.3 Schwingungsspektroskopie ..... 41
3.4 Dynamische Differenzkalorimetrie ..... 43
Kapitel 4 Experimentalteil ..... 47
4.1 Materialien ..... 47
4.2 Methoden ..... 49
4.2.1 IR-Spektroskopie ..... 49
4.2.2 Raman-Spektroskopie ..... 50
4.2.3 Dynamische Differenzkalorimetrie ..... 50
4.2.4 NMR-Spektroskopie ..... 50
4.2.5 Impedanz-Spektroskopie ..... 51
Kapitel 5 Struktur und Dynamik eines IL-Elektrolyten in porösen Materialien ..... 53
5.1 Einleitung ..... 53
5.2 Experimentalteil ..... 54
5.2.1 Probenpräparation ..... 54
5.2.2 Messparameter &amp; Auswertung ..... 54
5.3 Ergebnisse &amp; Diskussion ..... 55
5.3.1 Befüllung der Poren ..... 55
5.3.2 Wechselwirkungen mit der Porenwand ..... 59
5.3.3 Lithium-Anionen-Koordinationsverhalten ..... 61
5.3.4 Lokale Lithium-Dynamiken ..... 63
5.4 Zusammenfassung ..... 66
Kapitel 6 Einfluss interner Grenzflächen auf Struktur und Dynamik von IL-Elektrolyten in ZIF-8 ..... 69
6.1 Einleitung ..... 69
6.2 Experimentalteil ..... 70
6.2.1 Probenpräparation ..... 70
6.2.2 Messparameter &amp; Auswertung ..... 70
6.3 Ergebnisse &amp; Diskussion ..... 71
6.3.1 Einfluss der Kationen-Variation auf die internen Grenzflächen ..... 71
6.3.2 Einfluss der Kationen-Variation auf die Li+-Koordinationsstruktur ..... 74
6.3.3 Einfluss der Kationen-Variation auf die lokalen Li+-Dynamiken ..... 75
6.3.4 Einfluss der Kationen-Variation auf den Ionentransport ..... 78
6.4 Zusammenfassung ..... 81
Kapitel 7 Hochkonzentrierte Polymerelektrolyte und ZIF-8 als Additiv ..... 83
7.1 Einleitung ..... 83
7.2 Experimentalteil ..... 84
7.2.1 Probenpräparation ..... 84
7.2.2 Messparameter &amp; Auswertung ..... 85
7.3 Ergebnisse &amp; Diskussion ..... 86
7.3.1 Porenfüllung von ZIF-8 ..... 86
7.3.2 Lokale Umgebung der Lithium-Ionen ..... 86
7.3.3 Ladungstransport in den Elektrolyten ..... 90
7.4 Zusammenfassung ..... 96
Kapitel 8 Lithium-Transport in einem neuen Poly(vinylimidazol)-basierten Ionengel ..... 99
8.1 Einleitung ..... 99
8.2 Experimentalteil ..... 100
8.2.1 Probenpräparation ..... 100
8.2.2 Messparameter &amp; Auswertung ..... 101
8.3 Ergebnisse &amp; Diskussion ..... 103
8.3.1 Lokale Umgebung der Lithium-Ionen ..... 104
8.3.2 Ladungstransport im Ionengel ..... 109
8.3.3 Einfluss des Li-Salz-Anteils auf den Ionentransport ..... 118
8.4 Zusammenfassung ..... 119
Kapitel 9 Transportlimitierung in den Poren eines heterogenen Katalysators ..... 123
9.1 Einleitung ..... 123
9.2 Experimentalteil ..... 124
9.2.1 Probenpräparation ..... 124
9.2.2 Messparameter &amp; Auswertung ..... 125
9.3 Ergebnisse &amp; Diskussion ..... 125
9.3.1 Diffusionsmessungen ..... 125
9.3.2 Einflussfaktoren auf die Diffusionsmessungen ..... 126
9.3.3 Transportlimitierung ..... 133
9.4 Zusammenfassung ..... 135
Kapitel 10 Zusammenfassung &amp; Ausblick ..... 137
A. Anhang ..... 145
A.1 Ergänzende Daten zu Kapitel 5 ..... 145
A.2 Ergänzende Daten zu Kapitel 6 ..... 149
A.3 Ergänzende Daten zu Kapitel 7 ..... 154
A.4 Ergänzende Daten zu Kapitel 8 ..... 157
A.5 Ergänzende Daten zu Kapitel 9 ..... 162
B. Literaturverzeichnis ..... 165