Redox chemistry of ternary graphite intercalation compounds

Das beantragte Vorhaben widmet sich der systematischen Untersuchung tern?rer Graphit-Interkalationsverbindungen (t-GICs), die durch elektrochemische Co-Interkalation solvatisierter Kationen (Li?, Na?, Mg??) und organischer L?sungsmittelmoleküle in Graphitstrukturen entstehen. Aufbauend auf Vorarbeiten der Antragsteller konnte gezeigt werden, dass insbesondere solvatisierte Na?-Ionen reversible Interkalationsprozesse in Graphit erm?glichen – ein Verhalten, das sich deutlich von klassischen bin?ren GICs unterscheidet und durch signifikante Volumenzunahmen, fehlende SEI-Bildung und ausgepr?gte Temperaturabh?ngigkeiten charakterisiert ist.

Ziel des Projekts ist es, die strukturellen, thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften solcher t-GICs detailliert aufzukl?ren und das Konzept auf multivalente Ionen sowie gemischte Kationen-Systeme zu erweitern. Hierzu sind drei eng verknüpfte Arbeitspakete vorgesehen:
WP1: Untersuchung der Struktur, Dynamik und Diffusion solvatisierter Li?- und Na?-Komplexe in t-GICs unter Variation von Temperatur, L?sungsmittel (Glyme-Derivate) und Ladezustand. Zum Einsatz kommen operando-Dilatometrie, galvanostatische Messungen, GITT, ssNMR sowie DFT- und AIMD-Simulationen zur strukturellen und energetischen Modellierung.
WP2: ?bertragung des t-GIC-Konzepts auf zweiwertige Kationen (insb. Mg??), deren geringe Mobilit?t bislang als limitierender Faktor für Multivalent-Ionen-Batterien gilt. Co-Interkalation k?nnte hier eine gezielte Abschirmung der Ionenkonzentration bewirken und neue Reaktionsmechanismen erschlie?en. Neben elektrochemischen Methoden werden operando-Raman, XRD und DEMS eingesetzt.

WP3: Explorative Erweiterung auf quatern?re GICs (q-GICs) durch kombinierte Interkalation verschiedener Kationen (z.?B. Li?/Na?, Na?/Mg??) unter gleichzeitiger Co-Interkalation von L?sungsmitteln. Ziel ist die Erzeugung bislang unbekannter, strukturell komplexer GICs mit potenziell neuen Funktionalit?ten und h?herer Kapazit?t.

Die enge Verzahnung von Theorie (JLU Gie?en, AG Mollenhauer) und Experiment (HU Berlin, AG Adelhelm) erm?glicht eine umfassende Charakterisierung der GICs auf atomarer Skala. Neben klassischen elektrochemischen Verfahren kommen fortgeschrittene Simulationstechniken (DFT-D3, AIMD, ML-basierte Potenziale) sowie in situ-Methoden zur Anwendung.

Das Projekt leistet einen substantiellen Beitrag zum grundlegenden Verst?ndnis redoxaktiver, strukturflexibler Interkalationssysteme auf Graphitbasis. Darüber hinaus er?ffnet es neue Perspektiven für die Entwicklung alternativer Anodenmaterialien in post-Lithium-Energiespeichern, insbesondere für Na- und Mg-Ionen-Batterien.