Prof. Dr. Doreen Mollenhauer
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31.12.2023

DIm Rahmen des Projekts wurden Fortschritte erzielt, welche die Entwicklung von Elektrolyten für Redox-Flow Batterien voranbringen. In einem umfassenden Review wurden bisherige quantenchemische Berechnungen von redoxaktiven Materialien für Redox-Flow-Batterien ausgewertet. Damit wurde der Grundstein für ein vertieftes Verständnis des aktuellen Forschungsstandes gelegt. Quantenchemische Screening-Methoden wurden erfolgreich validiert. Mit diesen Methoden wurde ein quantenchemisches Screening von mehr als 200 Molekülen basierend auf Dithiazolyl- und Dithiadiazol-Radikalen durchgeführt. Struktur-Eigenschafts Beziehungen wurden abgeleitet, um die Auswahl vielversprechender Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien zu unterstützen. Die aus diesem Screening gewonnenen Daten dienten als Grundlage für die Entwicklung eines neuronalen Netzes. Dieses ermöglicht eine schnellere Vorhersage der Redox-Eigenschaften von Elektrolyten und kann als effizientes Pre-Screening-Werkzeug eingesetzt werden. Ein weiteres Screening wurde speziell für Chinonsysteme durchgeführt. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen wurden abgeleitet, um der Synthesechemie Moleküle mit besonders guten Eigenschaften vorzuschlagen. Darüber hinaus wurden in enger Zusammenarbeit mit TV 5 die pH-Abhängigkeit und die Reaktionsmechanismen der stickstoffaktiven Phenazinsysteme DHPC und DHPS untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern eine Erklärung für die experimentellen Daten. Ein innovativer Ansatz zur Abschätzung der Stabilität von Elektrolyten aus thermischen Oszillationen wurde weiterentwickelt und auf ausgewählte Moleküle angewendet. Dies trägt zu einem tieferen Verständnis der molekularen Stabilität bei, was für die Praxis der Batterietechnologie von hoher Relevanz ist. Die Gesamtergebnisse dieses Projekts bieten neue Einblicke in die Welt der redoxaktiven Materialien und liefern Handlungsanweisungen für die gezielte Entwicklung fortschrittlicher Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien.

Dieses Projekt ist die Fortführung und Erweiterung der Arbeiten aus dem vorangegangenen Projekt "FOREST - Chemische und elektrochemische Verfahren zur Umsetzung nachwachsender Rohstoffe zu redoxaktiven Substanzen". Alle wesentlichen Verfahrensschritte konnten in diesem Vorgängerprojekt erforscht werden. Damit der Prozess zukünftig wirtschaftlich einsetzbar wird, sind weitere Fragestellungen grundlegend zu erforschen: Um die Ausbeute an niedermolekularen, aromatischen Verbindungen aus der Ligninfragmentierung zu verbessern, wird die Produktfiltration mit der Fragmentierungsreaktion verbunden, so daß Zielmoleküle während der Reaktion aus dem Prozess entfernt und vor einem weiteren Abbau im Reaktor geschützt werden. Dazu müssen zunächst Filtrationsmembranen erforscht werden, die unter den harschen Reaktionsbedingungen eingesetzt werden können. Für die weiteren Schlüsselreaktionen zur Umsetzung von Lignin zu organischen Elektrolyten wird der elektrosynthetische Ansatz zur Reaktionsoptimierung untersucht. Die Einführung dieser Schritte in den Prozessablauf ist ein technisches Arbeitsziel des Projektes, wobei auch eine wissenschaftliche Verwertung der elektrochemischen Erkenntnisse geplant ist. Weiterhin befassen sich die Projektarbeiten mit der Aufklärung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen, um Effekte zu verstehen, die durch Substituenten an den redoxaktiven Verbindungen hervorgerufen werden. Aus diesen Arbeitenwerden Vorhersagen zur elektrochemischen Performance von redoxaktiven Substanzen als Elektrolyte abgeleitet werden können. Darüber hinaus müssen für eine adäquate Lebensdauer der Batterien Untersuchungen zu Degradationsprozessen durchgeführt werden, denen z.B. durch stabilere Moleküle, geeignetere Betriebsparameter oder Regenerationsstrategien gezielt begegnen zu können. Zu guter Letzt wird im Hinblick auf eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit auch die Verwertung von Nebenströmen in einem eigenen Arbeitspaket untersucht.