Flexible Batterien und Solarzelle

Forschungsgruppe (FOR) 5301 „FuncHeal“

Die nächste Generation von funktionalen Selbstheilungsmaterialien – Wiederherstellung von optoelektronischen und Transporteigenschaften in weichen Materialien zur Speicherung und Umwandlung von Energie
Flexible Batterien und Solarzelle
Foto: Jens Meyer (Universität Jena)

Die Forschungsgruppe FOR 5301 widmet sich dem Design, der Synthese und detaillierten Charakterisierung von selbstheilenden Materialien für flexible Energiespeicher und -wandler (z.B. Superkondensatoren, polymerbasierte Batterien und Solarzellen). Hiermit geht sie deutlich über den Stand der „klassischen“ selbstheilenden Materialien hinaus. Es stehen nicht mehr nur die Wiederherstellung von Polymerbeschichtungen nach einem mechanischen Schaden (Rissheilung) im Fokus. Stattdessen sollen nun Funktionen und Eigenschaften in komplexen Materialsystemen geheilt werden, z. B. optische Eigenschaften von konjugierten Polymeren, oder Leitfähigkeit in Elektroden oder Elektrolyten.

Beteiligt sind Prof. Dr. Andrea Balducci, Prof. Dr. Benjamin Dietzek-Ivanšić, Prof. Dr. Stefanie Gräfe, Dr. Martin D. Hager, PD Dr. Harald Hoppe, Prof. Dr. Kalina Peneva, Prof. Dr. Jürgen Popp, Prof. Dr. Felix H. Schacher, Prof. Dr. Ulrich S. Schubert von Seiten der Friedrich-Schiller-Universität Jena sind sowie PD Dr. Martin Presselt vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.

Sprecher der Forschungsgruppe FOR 5301​

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert Prof. Dr. Ulrich S. Schubert Foto: Anne Günther (Universität Jena)

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert

Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie
Humboldtstr. 10
07743 Jena

ulrich.schubert@uni-jena.de
Tel.:     +49 3641 9-48201
Fax:     +49 3641 9-48202

Teilprojekte

Im Rahmen der Forschungsgruppe beschäftigen sich sechs wissenschaftliche Projekte mit selbstheilenden Materialien für elektrochemische Energiespeicher und -wandler:

P1 - Selbstheilende Elektroden für eine elektrochemische Energiespeicherung Eintrag erweitern

Projektleitung

Prof. Dr. Ulrich S. Schubert
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie
Humboldtstr. 10
07743 Jena
ulrich.schubert@uni-jena.de
Tel.:     +49 3641 9-48201
Fax:     +49 3641 9-48202

Prof. Dr. Andrea Balducci
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Technische Chemie und Umweltchemie
Philosophenweg 7a
07743 Jena
andrea.balducci@uni-jena.de
Tel.:     +49 3641 9-48464
Fax:     +49 3641 9-48402

Projektbeschreibung

Im Rahmen von Projekt 1 soll das Konzept der Selbstheilung von Polymeren auf funktionale Materialien übertragen werden. Konkret sollen hierbei neuartige Elektroden für die Anwendung in organischen Radikalbatterien oder (Super-)kondensatoren entwickelt werden, welche sich durch die Fähigkeit zur Selbstheilung auszeichnen.

Hierfür werden selbstheilende Polymere mit verschiedenen reversiblen Gruppen in die Elektrodenmaterialien integriert, um so schließlich die Heilung von Rissen und Beschädigungen zu ermöglichen. Dabei wird neben der Synthese die Charakterisierung der Materialien ein Schwerpunkt sein. Insbesondere wird dabei der Fokus auf der Untersuchung der selbstheilenden Eigenschaften liegen. Schließlich sollen durch das Projekt neue selbstheilende Elektroden für Anwendungen in organischen Radikalbatterien und (Super-)kondensatoren entworfen und Struktur-Eigenschaftsbeziehung für selbstheilende funktionale Materialien ermittelt werden.

Grafik P01 Grafik P01 Grafik: Prof. Dr. Andrea Balducci, Prof. Dr. Ulrich S. Schubert / Universität Jena
P2 – Nanostrukturierte Blockcopolymer-Gelelektrolyte auf Basis von Polyethern Eintrag erweitern

Projektleitung

Prof. Dr. Felix Helmut Schacher
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie
Jena Center of Soft Matter
Lessingstr. 8
07743 Jena
felix.schacher@uni-jena.de
Tel.: +49 3641 9-48250
Fax: +49 3641 9-48252

Projektbeschreibung

Ziel von Projekt 2 ist es, nanostrukturierte Blockcopolymer-Gele für die Verwendung als Elektrolyte in polymerbasierten Batterien und elektrischen Doppelschichtkondensatoren zu entwickeln.

Diese Materialien verfügen über selbstheilende Eigenschaften, wobei die gebildete Nanostruktur zusätzlich die Wiederherstellung der funktionellen Eigenschaften nach mechanischer Beschädigung ermöglicht. Zu diesem Zweck werden amphiphile ABC-Triblockterpolymere auf Basis von Polyethern mit einem (kovalent) vernetzbaren Block A (Furfurylgruppen für Diels-Alder-Reaktionen oder Alkine für die Kupferkatalysierte Azid-Alkin-Chemie), einem Block B, der sowohl in organischen als auch in wässrigen Elektrolyten löslich ist und die Ionenbeweglichkeit ermöglichen soll (z.B. Poly(methylglycidylether)), und einem Block C, der auf geladenen Monomeren basiert, hergestellt. Im letzteren Fall können reversible (nicht kovalente) Vernetzungen durch Kombinationen von Carboxyl- und Aminogruppen oder alternativ zwitterionischen Comonomeren realisiert werden.

Die Charakterisierung wird in diesem Projekt eine wichtige Rolle spielen, angefangen von der umfassenden Analyse der ABC-Triblockterpolymere bis hin zur Herstellung der entsprechenden Gele, einschließlich der Untersuchung der Vernetzungseffizienz und der Prüfung der Stabilität sowie morphologischer Studien. Darüber hinaus soll die Funktionalität, d.h. die Ionenleitfähigkeit, der Gele im Hinblick auf die Diffusion von Ionen genau verstanden werden, um den Selbstheilungsprozess zu bewerten. Schließlich sollen die Gelelektrolyte als neue Elektrolytmaterialien in Testbatterien für grundsätzliche Machbarkeitsstudien eingesetzt werden.

Grafik P02 Grafik P02 Grafik: Prof. Dr. Felix H. Schacher / Universität Jena
P3 - Reversible photoaktive Materialien für flexible Bulk-Heterojunction-Solarzellen Eintrag erweitern

Projektleitung

Prof. Dr. Kalina Peneva
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie
Jena Center of Soft Matter
Lessingstr. 8
07743 Jena
kalina.peneva@uni-jena.de 
Tel.: +49 3641 9-48790
Fax: +49 3641 9-48792

Dr. Martin Hager
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie
Humboldtstr. 10
07743 Jena
martin.hager@uni-jena.de
Tel.: +49 3641 9-48227
Fax: +49 3641 9-48202

Projektbeschreibung

Organische Solarzellen wurden in den letzten Jahren intensiv untersucht und die erreichbaren Effizienzen konnten deutlich gesteigert werden. Allerdings ist oftmals noch die Langzeitstabilität von diesen Systemen eine Herausforderung. Neben der Photooxidation der Aktivmaterialien, z. B. der konjugierten Polymere, spielen insbesondere für flexible Solarzellen auch Risse im Aktivmaterial oder Delamination der Aktivschicht von den Elektroden eine große Rolle. In diesem Zusammenhang untersucht P3 neue Konzepte zur Selbstheilung von photoaktiven Materialien, welche für organische Solarzellen geeignet sind.

Hierbei werden zwei Schadensszenarien erforscht werden: i) Mechanischer Schaden in der Aktivschicht (Donor-Akzeptor-Blend) und ii) Schäden durch Photooxidation. Durch das Design und die Synthese von maßgeschneiderten Donor- und Akzeptormaterialien (vom kleinen Molekül bis zum Polymer) soll durch die Einführung von flexiblen Gruppen bzw. von reversiblen Gruppen zum einen eine Mobilität des Materials erreicht werden (Heilung von Rissen), zum anderen soll durch die Einführung von reversiblen Gruppen der Austausch von Chromophoren ermöglicht werden (Heilung nach Photooxidation).

Grafik P03 Grafik P03 Grafik: Prof. Dr. Kalina Peneva, Dr. Martin D. Hager / Universität Jena
P4 - Spannungs- und dehnungsresistente Polymersolarzellen: Auf dem Weg zu hoher Flexibilität Eintrag erweitern

Projektleitung

PD Dr. Harald Hoppe
Friedrich-Schiller- Universität Jena
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie
Humboldtstr. 10
07743 Jena
harald.hoppe@uni-jena.de
Tel.: +49 3641 9-48995
Fax: +49 3641 9-48202

PD Dr. Martin Presselt
Leibniz Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT)
Albert-Einstein-Str. 9
07745 Jena
martin.presselt@leibniz-ipht.de  
Tel.: +49 3641 206-418

Projektbeschreibung

Die Stabilität von Polymer-Solarzellen, in denen mindestens eine Komponente der photoaktiven Schicht ein konjugiertes Polymer ist, wird oft in Abhängigkeit vom Beleuchtungsspektrum, Temperatur(zyklen), Feuchtigkeit und Einfluss von Reaktanden wie Sauerstoff und Wasser untersucht. Darüber hinaus ist eine langzeitstabile Durchmischung von Elektronen-Donatoren und -Akzeptoren wesentlich, was einer morphologischen Stabilität entspricht.

Für potentielle Anwendungen sind insbesondere die flexiblen Eigenschaften von organischen Solarmodulen wichtig, was jedoch erhöhte Anforderungen an deren mechanische Stabilität stellt. Aufgrund der in der Anwendung entstehenden Biegung von Solarmodulen können Risse in der Aktivschicht als auch Ablösungen der Aktivschicht von den Ladungsextraktionsschichten (bzw. Elektroden) entstehen. Letzteres nennt man Delamination und der Prozess tritt auf, wenn die Adhäsion zwischen zwei Schichten unzureichend ist, während Risse innerhalb einer Schicht auf eine zu geringe Kohäsion hinweisen. Projekt 4 widmet sich daher der Verhinderung von Rissen und Delaminationsdefekten, als auch deren Heilung. Hierzu werden die Materialeigenschaften gezielt manipuliert, um eine höhere mechanische Widerstandsfähigkeit zu erhalten und aufgetretene Defekte wieder auszuheilen. Die durch die mechanische Beanspruchung entstandenen Defekte werden dann durch mikroskopische und spektroskopische Methoden charakterisiert. Nach der Heilung wird analog vorgegangen, um die Heilung zu quantifizieren.

Grafik P04 Grafik P04 Grafik: PD. Dr. Harald Hoppe, PD Dr. Martin Presselt / Universität Jena
P5 - Computergestützte Modellierung von Abbau- und Regenerationsprozessen von selbstheilenden Funktionsmaterialien Eintrag erweitern

Projektleitung

Prof. Dr. Stefanie Gräfe
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Physikalische Chemie
Helmholtzweg 4
07743 Jena
s.graefe@uni-jena.de
Tel.: +49 3641 9-48330
Fax: +49 3641 9-48302

Projektbeschreibung

Selbstheilende Materialien sind aufgrund ihrer Fähigkeit, strukturelle Schäden zu reparieren und dadurch ihre mechanische Stabilität und Eigenschaften wiederzuerlangen, für viele Anwendungen sehr interessant. Bei selbstheilenden Funktionswerkstoffen sollte neben der strukturellen Reparatur idealerweise auch die Funktionalität wiederhergestellt werden. Das Design solcher Materialien ist sehr anspruchsvoll und kann von computergestützten Studien des Selbstheilungsprozesses und der Funktionalität bis hinunter auf die molekulare Ebene profitieren.

In diesem Zusammenhang wird in Projekt 5 ein umfangreiches Instrumentarium an theoretischen und simulativen Methoden eingesetzt, um die Degradation und Wiederherstellung verschiedener selbstheilender Funktionsmaterialien zu verstehen. Die verwendeten Methoden decken unterschiedliche relevante räumliche und zeitliche Skalen ab: Von dynamischen Prozessen und strukturellen Eigenschaften in größerem Maßstab (Molekulardynamik und molekularmechanische Berechnungen) bis hin zur molekularen Ebene (quantenchemische und hybride quantenchemisch-molekularmechanische Berechnungen). Die zu untersuchenden Systeme werden in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Projekten ausgewählt.

Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Modellierung und Erforschung der zugrundeliegenden Mechanismen, die zur Degradation führen, um so die syntheseorientierten Projekte bei der Ermittlung von Möglichkeiten zur Vermeidung der Degradation oder zur Regenerierung des Materials und der Funktionalität zu unterstützen.

Grafik P05 Grafik P05 Grafik: Prof. Dr. Stefanie Gräfe / Universität Jena
P6 - Optische (Mikro-)Spektroskopie zur Charakterisierung der Struktur und der elektronischen Eigenschaften von selbstheilenden Materialien zur Energieumwandlung und -speicherung Eintrag erweitern

Projektleitung

Prof. Dr. Benjamin Dietzek-Ivanšić
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Physikalische Chemie
Helmholtzweg 4
07743 Jena
benjamin.dietzek@uni-jena.de
Tel.: +49 3641 9-48360
Fax: +49 3641 9-48302

Prof. Dr. Jürgen Popp
Institut für Physikalische Chemie (IPC)
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtzweg 4
07743 Jena
juergen.popp@uni-jena.de
Telefon: +49 3641 9-48320

Projektbeschreibung

Projekt 6 wird die molekularen Mechanismen in selbstheilenden Materialien für die Energieumwandlung und -speicherung mit Hilfe eines auf multimodaler frequenz- und zeitaufgelöster optischer Spektroskopie basierenden Ansatzes charakterisieren. So sollen Einblicke in Alterungs- und Schadensprozesse aber auch in die Heilung von funktionellen selbstheilenden Materialien erhalten werden. Dabei soll ein detailliertes Verständnis der molekularen Prozesse gewonnen werden, die während des Heilungsprozesses in solchen Materialien ablaufen.

Das Projekt verfolgt hierbei drei Schwerpunkte:

  • Untersuchung der molekularen Strukturveränderungen während des Abbaus und der Selbstheilung mittels insitu-Schwingungsspektroskopie und Schwingungs-Spektroelektrochemie in Kombination mit 2D-Korrelationsanalyse, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen im Hinblick auf die zugrundeliegende reversible Selbstheilungschemie abzuleiten;
  • Untersuchung des Transports und der chemischen Reaktivität, um eine molekulare Sicht auf die Diffusions- und damit Selbstheilungsprozesse der im Rahmen von FuncHeal untersuchten selbstheilenden Funktionsmaterialien mittels einer Kombination von mikrospektroskopischen Ansätzen basierend auf Fluoreszenz- und nichtlinearer Raman-Mikroskopie zu erhalten. Hier wird die molekulare Sicht mit makroskopischen Heilungsstudien korreliert, um die molekularen Komponenten innerhalb der Materialien zu optimieren, um die gewünschten makroskopischen Eigenschaften zu erreichen.
  • Charakterisierung von Prozessen in elektronisch angeregten Zuständen in beschädigten und geheilten Materialien für die Energieumwandlung, um den lichtinduzierten funktionsbestimmenden Prozess in selbstheilenden Materialien für Polymersolarzellen zu validieren. Zudem sollen die spektroskopischen Signaturen elektronischer angeregter Zustände zur Etablierung von Heilungsmetriken genutzt werden.
Grafik P06 Grafik P06 Grafik: Prof. Dr. Benjamin Dietzek-Ivanšić, Prof. Dr. Jürgen Popp