Redox chemistry of ternary graphite intercalation compounds

Das beantragte Vorhaben widmet sich der systematischen Untersuchung ternärer Graphit-Interkalationsverbindungen (t-GICs), die durch elektrochemische Co-Interkalation solvatisierter Kationen (Li⁺, Na⁺, Mg²⁺) und organischer Lösungsmittelmoleküle in Graphitstrukturen entstehen. Aufbauend auf Vorarbeiten der Antragsteller konnte gezeigt werden, dass insbesondere solvatisierte Na⁺-Ionen reversible Interkalationsprozesse in Graphit ermöglichen – ein Verhalten, das sich deutlich von klassischen binären GICs unterscheidet und durch signifikante Volumenzunahmen, fehlende SEI-Bildung und ausgeprägte Temperaturabhängigkeiten charakterisiert ist.

Ziel des Projekts ist es, die strukturellen, thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften solcher t-GICs detailliert aufzuklären 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, Lösungsmittel (Glyme-Derivate) und Ladezustand. Zum Einsatz kommen operando-Dilatometrie, galvanostatische Messungen, GITT, ssNMR sowie DFT- und AIMD-Simulationen zur strukturellen und energetischen Modellierung.
WP2: Übertragung des t-GIC-Konzepts auf zweiwertige Kationen (insb. Mg²⁺), deren geringe Mobilität bislang als limitierender Faktor für Multivalent-Ionen-Batterien gilt. Co-Interkalation könnte hier eine gezielte Abschirmung der Ionenkonzentration bewirken und neue Reaktionsmechanismen erschließen. Neben elektrochemischen Methoden werden operando-Raman, XRD und DEMS eingesetzt.

WP3: Explorative Erweiterung auf quaternäre GICs (q-GICs) durch kombinierte Interkalation verschiedener Kationen (z. B. Li⁺/Na⁺, Na⁺/Mg²⁺) unter gleichzeitiger Co-Interkalation von Lösungsmitteln. Ziel ist die Erzeugung bislang unbekannter, strukturell komplexer GICs mit potenziell neuen Funktionalitäten und höherer Kapazität.

Die enge Verzahnung von Theorie (JLU Gießen, AG Mollenhauer) und Experiment (HU Berlin, AG Adelhelm) ermöglicht 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 Verständnis redoxaktiver, strukturflexibler Interkalationssysteme auf Graphitbasis. Darüber hinaus eröffnet es neue Perspektiven für die Entwicklung alternativer Anodenmaterialien in post-Lithium-Energiespeichern, insbesondere für Na- und Mg-Ionen-Batterien.