Forschungsbereich - Metallabscheidung

Die elektrochemische Metallabscheidung ist ein klassisches Arbeitsgebiet der Elektrochemie. Von besonderem Interesse in der Grundlagenforschung sind die Anfangsstadien und die Untersuchung der Elektrokristallisation auf atomarer Ebene. Durch Unterpotentialabscheidung können pseudomorphe Monolagen von Fremdmetallen auf Einkristallelektrodenoberflächen erhalten werden. Mit diesen Modellsystemen ist es möglich, das Verhalten von binären Katalysatoren besser zu verstehen. Auch nanostrukturierte Oberflächen, dünne Filme und Legierungen können durch Metallabscheidung erhalten werden. Als Elektrolyte werden meist wässerige Lösungen oder Salzschmelzen verwendet. Die Abscheidung von Edelmetallen ist selbst ein Forschungsgegenstand, die erzeugten Strukturen werden darüber hinaus für Grundlagenuntersuchungen in der Elektrokatalyse und in der Batterieforschung eingesetzt.

Experiment

Reaktive Metalle lassen sich aus ionischen Flüssigkeiten abscheiden. Dies sind lösungsmittelfreie Elektrolyte, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Die besonderen Eigenschaften von Ionischen Flüssigkeiten machen sie interessant für die Forschung aber auch für die Industrie. Lithium, Magnesium oder Natrium können nicht oder nur schlecht aus wässeriger Lösung abgeschieden werden. Diese Metalle spielen im Bereich der Energiespeicherung eine bedeutende Rolle und werden für zukünftige Anwendungen intensiv erforscht. Ein grundlegendes Verständnis der Elementarprozesse ist wesentlicher Bestandteil der Forschungsarbeiten. Die gezielte Kontrolle der Anfangsstadien der Metallabscheidung (Keimbildung und Wachstum) kann sich auf die Struktur des abgeschiedenen Materials auswirken. Ein Forschungsschwerpunkt ist deshalb das (unerwünschte) dendritische Wachstum von Lithium in Batteriesystemen (siehe Abbildungen). Neben den batterierelevanten Themen werden aus ionischen Flüssigkeiten auch Kupfer und Silber abgeschieden. Diese Metalle können auch aus wässrigen Elektrolyten abgeschieden werden. Auf diese Weise kann der Einfluss des Elektrolyten und des Lösungsmittels auf elementare Prozesse bei der Metallabscheidung untersucht werden.

M.Sc. Maximilian Ceblin
Gruppenleiter

M.Sc. Maximilian Eckl
M.Sc. Fabian Schütt
M.Sc. Tanja Geng
M.Sc. Sven Zeller
M.Sc. Jerome Mayer
Felix Matzik 

Theorie

Bei den Lade- und Entladezyklen einer Batterie werden zunächst die entsprechenden Metallionen aus dem Elektrolyten abgeschieden (Ladevorgang) bis es erneut zu einer Metallauflösung kommt (Entladevorgang). Bei der Abscheidung wachsen die Metallionen jedoch nicht wie gewünscht als flache Metallfolie an der Elektrode auf. Das daraus resultierende inhomogene Oberflächenwachstum führt zu morphologischen Veränderungen an der elektrochemischen Doppelschicht sowie zur Bildung nadelartiger (oder dendritischer) Strukturen.

Basierend auf unseren experimentellen Untersuchungen zielen unsere theoretischen Aktivitäten darauf ab, die zugrundeliegenden Abscheidemechanismen zu untersuchen und mögliche Wege zur Hemmung des inhomogenen Oberflächenwachstums zu ermitteln.

Die einzelnen Prozesse der Metallabscheidung finden jedoch auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen statt, weshalb wir dies unter Verwendung eines Multiskalenansatzes und in engerer Verbindung mit unseren experimentellen Arbeiten angehen, mit dem Ziel, ein detailliertes Bild der Metallabscheidung und -auflösung auf atomistischen Skala zu erhalten.

 

 

M.Sc. Daniel Gaißmaier
Gruppenleiter

M.Sc. Matthias van den Borg
Stefanie Bogenrieder
Florian Fiesinger
Carmen Fuchs