Polymer Electrolytes for Magnesium Batteries
Creators: name: Sundermann, David Antonius
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Polymer Electrolytes
Magnesium Batteries
Electrolytes

description: Akkumulatroren sind von entscheidender Bedeutung hinsichtlich der Elektrifizierung unserer Gesellschaft mit einer Vielzahl an beweglichen elektrischen Geräten. Insbesondere Lithi-umakkumulatoren standen im Fokus der Forschung, da diese über eine hohe Leistung und Lebensdauer verfügen. Die vergleichsweisen hohen Rohstoffkosten für Lithium sind jedoch von großem Nachteil, insbesondere im Bereich der fortschreitenden Elektrifizierung unserer Gesellschaft, weshalb die Entwicklung von anderen, günstigeren Akkumulatoren im Vorder-grund steht. Eine mögliche Alternative sind Magnesiumakkumulatoren, aufgrund der deutlich höheren Verfügbarkeit von kostengünstigem Magnesium im Vergleich zu Lithium. Wieder-aufladbare Magnesiumakkumulatoren beinhalten des Weiteren in vielen Fällen korrosive, giftige, flüssige und flüchtige Elektrolyte, welche dem Sicherheitsaspekt gegenüberstehen. Ein Lösungsansatz, beinhaltet Polymerelektrolyte anstelle der kommerziellen Flüssigelektroly-ten, eine Strategie, die bereits erfolgreich in Lithiumakkumulatoren angewandt worden ist. Die kostengünstige Verfügbarkeit, herausragenden mechanischen Eigenschaften und gute Verarbeitbarkeit stehen jedoch weiterhin einer geringen Zyklenstabilität als auch moderaten Magnesium-Ionen Ionenleitfähigkeiten und hohen Abscheidungspotentialen gegenüber. Dazu gehörige Lösungsansätze sind bereits für Lithiumakkumulatoren bekannt und umfassen neben Weichmachern, Zusätzen und Polymer-Mischungen auch Einzel-Ionen Leiter und Polymer-in-salz Elektrolyte. Daher beschäftigt sich diese Dissertation mit verschiedenen Ansätzen und Synthese von selbst-stehenden Polymerelektrolyten und deren Charakterisierungen hinsichtlich Ionenkoor-dination, Ionenleitfähigkeit und Magnesium Elektroden Kompatibilität. Im ersten Ansatz wurde eine Bibliothek selbststehender, quervernetzer Einzel-Ionen Elektrolyte, basierend auf Boraten und einem PEO-basiertem Copolymer hergestellt. Hierbei wurden die Parameter hinsichtlich des Monomer Verhältnisses, der Architektur, Weichmacher und PEO-Kettenlänge optimiert. Basierend auf dem besten System wurden unterschiedliche Mag-nesium-Lithium Hybrid Elektrolyte hergestellt, in denen teilweise Magnesium Ionen gegen Lithium-Ionen ausgetauscht wurde. Dabei deutete sich ein komplexes, Stromstärken abhängiges, Magnesium Abscheidungs- und Aufnahme verhalten ab. Diese Beobachtungen wurden in Zusammenhang mit der Ionendissoziation, Kristallinität und Ionenleitfähigkeit interpretiert und liefern wichtige Erkenntnisse zu Einzelionenleitern und Hybridelektrolyten für Magnesi-umakkumulatoren. Im zweiten Ansatz wurde eine Bibliothek feststehende Polymerelektrolyte mit Anionrezepto-ren, als Alternative zu Einzel Ionen Elektrolyten hergestellt. Dazu wurden zwei neue auf Boraten-basierte Monomer mit mono- und difluorierten Aromaten entwickelt und mit PEG-MA zu Kammpolymeren polymerisiert. Die Architektur, Monomer Verhältnisses und Salz-konzentration wurde hinsichtlich ihrer Ionenleitfähigkeit und mechanischen Stabilität hin optimiert. Die Wechselwirkung der neu designten Anionrezeptoren wurde daraufhin betrach-tet, indem die Kationen, Mg2+ und Li+, als auch die Anionen, TFSI- und ClO4-, variiert wur-den. Die Salz- und insbesondere Anionen-Wechselwirkungen und damit einhergehend die elektrochemischen Eigenschaften sind hauptsächlich bedingt durch die elektrischen Eigen-schaften des Rezeptors. Daher wurden wichtige Erkenntnisse bezüglich Anionenrezeptoren in Magnesiumakkumulatoren und deren Design geleistet. Im dritten Ansatz wurden elektrochemische und mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von zwei gegensätzlichen Magnesiumsalzen in einem aliphatischen Polycarbonat untersucht. Hierzu wurden neben dem kommerziellen und etablierten Mg(TFSI)2 auch Mg(B(HFIP)4)2 verwendet, das in der Literatur bereits in zyklenstabilen Magnesiumakkumulatoren Anwen-dung fand. Dabei wurde eine Transformation von einem Salz-in-Polymer Elektrolyten zu einem Polymer-in-Salz Elektrolyten mittels rheologischer und spektroskopischen Messungen für Mg(B(HFIP)4)2 bei hohen Konzentrationen nachgewiesen. Das Polymer-in-Salz Elektrolyte zeichnete sich dabei durch eine deutlich erhöhte Ionenleitfähigkeit und hoher mechanischer Elastizität aus. Hierbei wurde gezeigt, dass die Konzentration des Salzes, an dem der Übergang zum Polymer-in-Salz Elektrolyten stattfindet, deutlich von den Eigenschaften des Salzes und dessen Polymer Koordination abhängig ist. Zusammenfassend wurden Trends und Zusammenhänge von Polymer Elektrolyten, Einzel-Ionen Elektrolyten und Magnesium-Lithium Hybrid Elektrolyten für Magnesiumakkumulato-ren diskutiert und eingeordnet. Dies ist von gesondertem Interesse, da die Entwicklung von Lithium-freien energiespeichern auf Grund der begrenzten Rohstoffmengen und steigendem Bedarf notwendig ist.