Functional Nanofibers Based on Transition Metal Dichalcogenides for Rigid and Flexible Energy Storage

Abstract

Die Reduktion von CO2 Emissionen ist eine unabdingbare Konsequenz für das Weiterbestehen des globalen Ökosystems. Zum Erreichen dieses Ziels muss die gesamte Weltwirtschaft den Übergang von einer rohölbasierten hin zu einer von erneuerbaren Energien angetriebenen Gesellschaft und Wirtschaft vollbringen. Energiespeicherung, ihre Nutzung und das Transportwesen sind die entscheidenden Sektoren für eine effiziente Energienutzung. Zentrale Bestandteile dieser Entwicklung sind neue Anwendungen und technische Lösungen für fortschrittliche Batterie- und Kondensatormaterialien. Nach der Entdeckung von Graphen vor 20 Jahren als das erste sogenannte „2D Material“, sind kohlenstoffbasierte Materialen aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche und der großen Leitfähigkeit zum Gegenstand und Mittelpunkt der Kondensatorforschung herangewachsen. Diese Eigenschaften sind ideal für die Entwicklung von Superkondensatoren, welche die Brücke bilden zwischen Batterien mit hoher Energiedichte und Kondensatoren mit hoher Leistungsdichte. Zusätzlich hat die Entdeckung von Graphen einen weiteren wissenschaftlichen Zweig eröffnet, die Forschung an zweidimensionalen Materialien. Hier sind besonders Übergangsmetalldichalkogenide hervorzuheben, die im Gegensatz zu Graphen eine Bandlücke aufweisen. Aufgrund ihrer Eigenschaften ist ein breites Forschungsspektrum für diese Materialien in den Bereichen von Energiespeicherung, Transistortechnik, Wasserstoffsynthese und Sensortechnik gewachsen. Die Kombination von Übergangsmetalldichalkogeniden mit Kohlenstoffmaterialien ist Gegenstand der Forschung für flexible und leichte Energiespeicherung, dessen Bedarf in der heutigen Welt stetig am Wachsen ist. Diese Dissertation leistet in den Themen der Entwicklung und Optimierung von Energiespeichersystemen, mit besonderem Augenmerk auf Superkondensatoren und flexible Energiespeicher, ihren Beitrag. Auf der einen Seite liegt der Fokus auf fundamentaler Verbesserung im Herstellungsprozess und der Temperierung von Kohlenstoffnanofasern, zur Erhöhung der spezifischen Kapazität, welche eine wichtige Rolle als Trägermaterialien in Superkondensatoren einnehmen. Auf der anderen Seite untersucht diese Dissertation die Kombination von diversen Kohlenstoffmaterialien mit den oben genannten Übergangsmetalldichalkogeniden. Dafür wurde ein wasserbasierter Prozess zur Exfolierung von WS2, MoS2 und Bi2S3 Materialien verwendet, um flexible Kondensatoren und Dünnfilme herzustellen. Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Optimierung von Exfolierungsprozessen für das jeweilige Übergangsmetalldichalkogenid gelegt. Die jeweiligen Tenside und ihre idealen Konzentrationen für die Exfolierung wurden untersucht, um die Effizienz des Prozesses und die Konzentration der Suspensionen zu optimieren. Ziel ist die Verbesserung und Verwendung von wasserbasierten Verfahren als nachhaltigere Alternative für die Verwendung von N-Methyl-2-pyrrolidon, welches aufgrund seiner Eigenschaften häufig bevorzugt wird. Das Wissen aus Exfolierung und der Herstellung von Nanofasern wurde genutzt, um flexible, symmetrische Kondensatoren basierend auf Polyethylennanofasern herzustellen. Hierfür wurde zweidimensionales WS2 mit Kohlenstoffmaterialien wie Kohlenstoffnanoröhrchen und Ruß kombiniert. Durch diese Materialkombination konnten Kondensatoren hergestellt werden, die Synergieeffekte zwischen den aktiven Materialien aufzeigten. Diese Effekte ermöglichen verbesserte elektrochemische Eigenschaften wie zum Beispiel die Erhöhung der spezifischen Kapazität und leisten somit einen fundamentalen Beitrag zur Forschung an leichten und flexiblen Energiespeichersystemen.