Blockcopolymere aus Ionischen Flüssigkeiten zur Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuartigen Elektronen und Ionen leitenden Materialien, die in Batterien zum einen als Anodenmaterial und zum andern als Elektrolyt Verwendung finden können. Dazu wurden zwei verschiedene Systeme entwickelt, welche auf Poly(ionische Flüssigkeiten) (PILs) beruhen, aber unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. In einem ersten Projekt wurden PILs als Präkursor für leitfähige Kohlenstoffschichten für alternative und neuartige Anodenmaterialien in Natrium Ionen Batterien eingesetzt. Alternative nanostrukturierte Anodenmaterialien wie Titandioxid haben eine hohe spezifische Kapazität und weisen im Vergleich zu den derzeitig verwendeten Lithium Ionen Batterien ein geringeres Sicherheitsrisiko auf. Jedoch haben diese Übergangsmetall Verbindungen eine sehr schlechte elektrische Leitfähigkeit. Um diese zu verbessern, wurden die Partikel mit einer elektrisch leitenden Kohlenstoffhülle beschichtet. Hierfür wurde die Oberfläche der Partikel zunächst mit einem Blockcopolymer funktionalisiert. Das Blockcopolymer bestand zum einen aus einem graphitisierbaren PIL Block, basierend auf 1 Vinyl 3 Cyanomethylimidazolium Bromid, und zum anderen aus einem Ankerblock, mit dem eine Anbindung an Übergangsmetalloxiden erfolgen konnte. Nach der Anbindung des Blockcopolymers, wurde durch anschließende thermische Behandlung, eine graphitische Kohlenstoffhülle auf der Oberfläche der Partikel erzeugt. Aus diesen Partikeln wurden Elektroden hergestellt die als Anode in Natrium Ionen Batterien getestet und elektrochemisch untersucht wurden. Weiterhin wurde in einer separaten Studie die Zusammensetzung der graphitischen Kohlenstoffschicht der Partikel näher untersucht und optimiert. Durch einen Anionenaustausch am PIL Block mit Silber Dicyanamid, konnte großen Einfluss auf die Zusammensetzung des Graphits genommen werden. Sowohl der Kohlenstoffanteil, aber besonders der Stickstoffanteil des Graphits, konnten optimiert werden. Durch den Anionenaustausch konnte der gleiche Stickstoffanteil in der graphitischen Kohlenstoffhülle erzielt werden, wie für Kohlenstoffpräkursor basierend auf Polyacrylnitril (PAN). Ausgehend von PAN konnte durch eine Prozessanpassung eine Variation der Schichtdicke der Kohlenstoffhülle gezeigt werden. Damit konnte der Kohlenstoffgehalt der Partikel nach der Pyrolyse von zuvor 12 % auf 40 % gesteigert werden.

In einem zweiten Projekt konnte eine weitere PIL hergestellt werden. Diese beruht auf 2 (1 Butylimidazolium 3 yl)ethyl methacrylat Bromid, welches aufgrund seiner ionenleitenden Eigenschaft als Festphasenelektrolyt geeignet ist. Ausgehend von dieser ionischen Flüssigkeit konnten sowohl Blockcopolymere als auch endgruppenfunktionalisierte PILs mittels RFAT Polymerisation (reversible addition fragmentation chain transfer polymerization) hergestellt werden. Dabei konnte durch den Austausch des Anions Einfluss auf die Eigenschaften des Polymers genommen werden. Durch einen Anionenaustausch mit Bis(trifluoromethylsulfonyl)imid (TFSI) wurde die Löslichkeit der PIL verändert und die Glastemperatur herab gesetzt.