Mechanische und elektrische Eigenschaften von Ionenleitern

Abstract

The current global interest in energy storage has triggered the development of new composite materials and, consequently, new methodologies for manufacturing and testing these products. In the energy storage research field their mechanical behavior is less investigated, despite of their high both fundamental and technological relevance. To assess the interplay between charge and mass transport, this thesis focusses on a large variety of electrolytes using shear rheology and dielectric spectroscopy as examination methods. Tailoring the mechanical behavior of these materials, this work investigates the impact of their local and macroscopic viscoelasticity on their conductivity, with the ultimate goal of finding new recipes for improving the latter. Our investigations from a series of mixtures with an ionic liquid and a dipolar one shows an unusual shifting in the coupling between the mechanical and conductvity processes. A survey of ionogels demonstrate that the interaction of charge carriers with their gel-like matrix can affect conductivity even in the presence of a strong dynamical disparity between its macroscopic mechanical and electrical parameters. Finally, comparing ionic and proton conductors, it is shown that this decoupling significantly enhances the conductivity in acid hydrates. Our results and their analysis show that enhancing the degree of decoupling between the mechanical and electrical degrees of freedom, combined with a reduction of charge correlations in highly concentrated electrolytes are essential for the development of the next generation of energy storage materials.

Das derzeitige weltweite Interesse an der Energiespeicherung hat zur Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe und folglich zu neuen Methoden für die Herstellung und Prüfung dieser Produkte geführt. In der Energiespeicherforschung wird das mechanische Verhalten jedoch weniger untersucht, obwohl es sowohl von grundlegender als auch technologischer Bedeutung ist. Um das Zusammenspiel von Ladungs- und Massentransport zu bewerten, konzentriert sich diese Arbeit auf eine Vielzahl von Elektrolyten, wobei Scherrheologie und dielektrische Spektroskopie als Untersuchungsmethoden eingesetzt werden. Indem wir das mechanische Verhalten dieser Materialien anpassen, untersuchen wir den Einfluss ihrer lokalen und makroskopischen Viskoelastizität auf ihre Leitfähigkeit, mit dem Ziel, neue Ansätze zur Verbesserung der Leitfähigkeit zu finden. Unsere Untersuchungen an einer Reihe von Mischungen mit einer ionischen und einer dipolaren Flüssigkeit zeigen eine ungewöhnliche Verschiebung in der Kopplung zwischen mechanischem und Leitfähigkeits-Prozess. Eine Untersuchung von Ionengelen zeigt, dass die Wechselwirkung von Ladungsträgern mit ihrer gelartigen Matrix die Leitfähigkeit auch dann beeinflussen kann, wenn eine starke dynamische Diskrepanz zwischen den makroskopischen mechanischen und elektrischen Parametern besteht. Schließlich wird durch den Vergleich von Ionen- und Protonenleitern gezeigt, dass diese Entkopplung die Leitfähigkeit in Säurehydraten signifikant erhöht. Unsere Ergebnisse und deren Analysen zeigen, dass die Verbesserung des Entkopplungsgrades zwischen den mechanischen und elektrischen Freiheitsgraden in Verbindung mit einer Reduzierung der Ladungskorrelationen in hochkonzentrierten Elektrolyten für die Entwicklung der nächsten Generation von Energiespeichermaterialien von essentieller Bedeutung ist.