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Helmholtz Institute for Polymers in Energy Applications (HIPOLE Jena)

HIPOLE Jena

Polymere Materialien bieten ein enormes Potenzial mit zahlreichen, bislang wenig erforschten Möglichkeiten zur Anpassung ihrer strukturellen und funktionalen Eigenschaften. Sie können eine zentrale Rolle bei der Bekämpfung des Klimawandels spielen: Sie ermöglichen neue Energietechnologien mit hoher Effizienz, Skalierbarkeit, geringen Kosten, nachhaltiger Produktion sowie einzigartigen Eigenschaften wie mechanischer Flexibilität und Selbstheilung.

HIPOLE Jena – das Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen Jena wurde 2020 als Zusammenarbeit zwischen dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU Jena) gegründet. Das fakultätsübergreifende Zentrum für Energie- und Umweltchemie Jena (CEEC Jena) an der FSU Jena ist international für seine Forschung in der Polymerchemie für Energiespeicherung und -umwandlung bekannt. Dies macht die FSU Jena und das HZB zu perfekt komplementären Partnern, wie in der hier dargestellten Abbildung verdeutlicht wird.

HIPOLE Jena konzentriert sich speziell auf das Design und die Herstellung polymerbasierter Batterien am CEEC Jena[1] sowie deren hochmoderner Charakterisierung am HZB.

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Die sich ergänzenden Element im wissenschaftlichen Konzept des HIPOLE Jena.

Erste Ergebnisse

Wissenschaftler des HIPOLE Jena haben polymerbasierte Elektroden untersucht und erstmals deren 3D-Mikrostruktur quantitativ charakterisiert. Die Mikrostruktur ist ein Schlüsselfaktor für die elektrische Leistung von Batteriezellen. Dafür wurden Synchrotron-Röntgentomographie und statistische Bildanalyse kombiniert.[2]

In einer anderen kollabrorativen Zusammenarbeit wurden Faktoren untersucht, die die Energiedichte von Natrium-Ionen-Batterien begrenzen.[3] Die Speicherung von Natrium in der Anode wurde mit ergänzender Expertise erforscht, darunter:

  • Die erfolgreiche Herstellung von polymerem Kohlenstoffnitrid (p-C3N4) mit variierender Mikroporosät

  • Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) Messungen.

Eine hohe Speicherkapazität bei niedrigem Potential ist nur möglich, wenn geeignete, versiegelte Poren vorhanden sind.

Finanzierung

Die Wissenschaftler des HIPOLE Jena am CEEC Jena werden für drei Jahre durch das Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft (TMWWDG) gefördert.

Seit 2020 kooperieren das HZB und die FSU Jena zudem im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Polymerbasierte Batterien“ (SPP 2248) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in insgesamt sieben Teilprojekten.[4] 

Ausblick

Aufbauend auf den Entwicklungen von HIPOLE Jena setzen die FSU Jena und das HZB ihre Zusammenarbeit fort, um einen neuartigen, zielgerichteten Ansatz für polymere Materialien in Energieanwendungen zu verfolgen. Die hier dargestellte Abbildung fasst das angestrebte System zur Minderung des Klimawandels zusammen. Das zentrale Ziel ist es, innovative polymere Materialien für neuartige, skalierbare und nachhaltige Energietechnologien zu schaffen.

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Die zukünftige Systemlandschaft der Polymere, die am HIPOLE Jena entwickelt wird, trägt zu einer nachhaltigen, CO2-neutralen Gesellschaft bei. Alle Forschungsfelder sind auf die Schwerpunkte des Helmholtz-Programms „Materialien und Technologien für die Energiewende“ abgestimmt.

Der Umfang der Zusammenarbeit umfasst folgende Forschungsbereiche:

  • Polymer-Redox-Flow-Batterien

  • Polymerbasierte Dünnschichtbatterien

  • Photovoltaik

  • Funktionale selbstheilende Materialien

  • Nachhaltige Chemie

 

[1] Muench, S., Burges, R., Lex-Balducci, A., Brendel, J. C., Jäger, M., Friebe, C., ... & Schubert, U. S. (2020). Printable ionic liquid-based gel polymer electrolytes for solid state all-organic batteries. Energy Storage Materials, 25, 750-755. DOI: 10.1016/j.ensm.2019.09.011

[2] Neumann, M., Ademmer, M., Osenberg, M., Hilger, A., Wilde, F., Muench, S., ... & Schmidt, V. (2022). 3D microstructure characterization of polymer battery electrodes by statistical image analysis based on synchrotron X-ray tomography. Journal of Power Sources, 542, 231783. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.231783.

[3] Schutjajew, K., Giusto, P., Härk, E., & Oschatz, M. (2021). Preparation of hard carbon/carbon nitride nanocomposites by chemical vapor
deposition to reveal the impact of open and closed porosity on sodium storage. Carbon, 185, 697-708. DOI: 10.1016/j.carbon.2021.09.051

[4] Deutsche Forschungsgemeinschaft. Priority Programme „Polymer-based Batteries“ (SPP 2248).