Die globale Wende zu einer kohlenstoffneutralen Energieversorgung erfordert einen grundlegenden Paradigmenwechsel bei den Energiespeichertechnologien. Während fluktuierende erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne stärker genutzt werden, werden ihre effektive Integration in das Stromnetz und die weitgehende Dekarbonisierung des Verkehrssektors derzeit wegen der Leistungsbeschränkungen der beiden etablierten elektrochemischen Energiespeichersystemen (EES) eingeschränkt. Konkret besteht eine kritische Leistungslücke zwischen Batterien mit hoher Energiedichte, die typischerweise unter einer langsamen Lade-/Entladekinetik leiden, und Superkondensatoren (SCs) mit hoher Leistungsdichte, denen es an ausreichender Energiespeicherkapazität mangelt. Die Überbrückung dieser Lücke erfordert die Entwicklung fortschrittlicher Elektrodenmaterialien, die die hohe Kapazität faradaischer Redoxreaktionen mit der schnellen Kinetik oberflächengesteuerter Prozesse kombinieren können. Diese Dissertation adressiert diese Herausforderung durch die Untersuchung des Nanoconfinement-Designs in schichtstrukturiertem Molybdändisulfid (MoS2) als Modellsystem. Durch die gezielte Maßschneiderung der Geometrie und Chemie des Zwischenschichtraums zielt diese Arbeit darauf ab, die träge Festkörperdiffusion, die Bulk-Materialien inhärent ist, zu überwinden und schnelle, pseudokapazitive Ionenspeichermechanismen zu erschließen.
Die erste Studie etabliert eine vielseitige Hydrothermalsynthese-Strategie zur gleichzeitigen Kontrolle der Kristallitgröße und des Zwischenschichtabstands von MoS2. Durch Anpassung des pH-Werts der Vorstufenlösung und Einführung von 1,6-Hexandiamin (HDA) als organischem Molekül (fungiert als „Stützpfeiler“) demonstriert die Studie effektiv den Einfluss von Partikelgröße und Gitterexpansion auf die Ladungsspeichereigenschaften. Die elektrochemische Charakterisierung zeigt, dass die Reduzierung der Kristallitgröße und die Aufweitung des Zwischenschichtabstands synergistisch wirken, um kondensatorähnliche Kinetik zu fördern. Die optimierte, durch Nanoconfinement designte Struktur erreichte eine reversible Lithiumspeicherkapazität von 199 mAh/g, was das theoretische Interkalationslimit von Bulk MoS2 deutlich übertrifft, während sie einen hohen b-Wert von 0,93 aufwies, der auf eine oberflächendominierte Kinetik hinweist. Diese Studie zeigt, dass das Nanoconfinement-Design zusätzliche Speicherplätze innerhalb der van-der-Waals-(vdW)-Lücken aktivieren kann und somit ein batterieartiges Material effektiv in ein hochratenfähiges pseudokapazitives Elektrodenmaterial transformiert.
Aufbauend auf der Nanoconfinement-Designstrategie untersucht die zweite Studie die kritische Rolle von Wirt-Molekül-Wechselwirkungen und Moleküldichte durch die Einführung einer kovalenten Funktionalisierung mit 1,6-Hexandithiol (HDT). Dieser Ansatz adressiert die potenzielle Instabilität nicht-kovalent gebundener Moleküle durch den Aufbau robuster chemischer Bindungen zwischen den organischen Molekülen und dem MoS2-Wirtsgitter. Durch eine umfassende Kombination aus experimenteller Analyse und DFT-Simulationen deckt die Studie eine fundamentale Ambivalenz zwischen der strukturellen Stabilität, die durch die Moleküle geboten wird, und den kinetischen Einschränkungen der Ladungsspeicherung, die sie verursachen, auf. Während eine optimierte Molekülbeladung eine hohe Kapazität (196 mAh/g) aufrechterhält, stellt sich heraus, dass eine übermäßige Säulendichte den Ionentransport stark behindert und aktive Speicherplätze blockiert, was zu einer drastischen Leistungsminderung führt. Diese Arbeit liefert den direkten Beweis, dass organische Moleküle als kinetische Barrieren wirken können, wenn sie den Zwischenschichtraum überfüllen, und etabliert eine wichtige Designregel: Hochleistungsfähiges Nanoconfinement-Design erfordert ein präzises Gleichgewicht, bei dem Moleküle die Schichten ausreichend für den Ionen-Zugang aufweiten, während sie spärlich genug verteilt sind, um die Blockierung der Diffusionswege zu minimieren.
Die dritte Studie beleuchtet die Skalierbarkeit von Nanoconfinement-Designstrategien durch den Übergang von der Bottom-up-Hydrothermalsynthese hin zu einer Top-down-Synthesemethode auf Basis von kommerziell erhältlichem Bulk-MoS2. Unter Nutzung dieser skalierbaren Materialplattform zur Untersuchung des Zusammenspiels zwischen Elektrodenstruktur und Elektrolytlösungsmittel enthüllt die Forschung eine Divergenz in den Speichermechanismen. Während Bulk-MoS2 in Ether-Elektrolyten aufgrund von Lösungsmittel-Co-Interkalation eine massive Expansion des c-Gitterparameters um 132 % erfährt, minimiert das HDA-gestützte MoS2 diese Expansion auf etwa 8 %. Dies deutet darauf hin, dass organische Säulen die Lösungsmittel-Co-Interkalation verhindern, während sie die Interkalation desolvatisierter Li+-Ionen ermöglichen, was durch die Milderung des mit übermäßiger Volumenexpansion verbundenen strukturellen Stresses deutliche Vorteile für die Langzeitzyklusstabilität bieten könnte.
Zusammenfassend demonstriert diese Dissertation, dass rationales Nanoconfinement-Design ein mächtiges Werkzeug ist, um die Thermodynamik und Kinetik der Ioneninterkalation in Schichtmaterialien maßzuschneidern. Indem sie einen Bauplan für das Design von Elektroden liefert, die die hohe Energiedichte von Batterien mit der hohen Leistungsdichte von SCs vereinen, trägt diese Arbeit direkt zur Entwicklung schnellladefähiger, langlebiger Energiespeichersysteme bei, die für Anwendungen im Bereich erneuerbarer Energien unerlässlich sind, und unterstützt letztlich das globale gesellschaftliche Ziel einer nachhaltigen, emissionsfreien Zukunft.