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Poröse Medien | Dr. Simon Thiele

Brennstoffzellen, Batterien (Li-Luft, Li-S, Li-Si und Redox-Flow), Elektrolyse und Bio-Imaging

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Kompetenz

REM-Aufnahme Kohlenstoff

Wir forschen an Brennstoffzellen, Batterien und Elektrolyseuren. Unsere Schwerpunkte liegen hierbei bei innovativen Herstellungsmethoden und Materialien, sowie 3D bildgebenden Verfahren für diese Technologien.

Herstellung und Charakterisierung
Insbesondere für Brennstoffzellen erforschen wir neue Herstellungs-Methoden und alternative Materialien. Durch neue Membransysteme entwickeln wir Brennstoffzellen mit höherer Leistungsdichte und längerer Lebensdauer. Mit Kohlenstoff-basierten Katalysatoren für die Sauerstoffreduktion erforschen wir Alternativen zu Platin. Diese Ansätze übertragen wir auf andere Energiewandler wie Li/Luft- und Redox-Flow-Batterien, sowie Elektrolyseure. Neue Materialien und Herstellungs-Methoden charakterisieren wir elektrochemisch in Brennstoffzellen- und Batterie-Testständen, sowie ex-situ in unserem Mikroanalyse-Labor.

Imaging und Virtual Design
Als Basis für das Verständnis von elektrochemischen Energiewandlern benutzen wir 3D bildgebende Verfahren. Wir verwenden Technologien wie FIB-SEM Tomographie und Röntgen-Tomographie um dreidimensionale Rekonstruktionen von Elektroden und Gastransportschichten zu erzeugen. Anhand dieser Rekonstruktionen berechnen wir leistungsbestimmende Parameter. Mit Virtual Design simulieren wir die Auswirkung auf diese Parameter, die sich durch Änderungen der Morphologie ergeben. Diese Erkenntnisse übertragen wir auf neue Herstellungsmethoden. Unsere Expertise in bildgebenden Verfahren setzen wir zudem für die virtuelle Rekonstruktion biologischer Proben ein.

 

Anwendungsbeispiele


Herstellung innovativer Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen
Typischerweise werden Membranen für Brennstoffzellen als freistehende Folien hergestellt und später weiterverarbeitet. Im Gegensatz hierzu applizieren wir die Membran in flüssiger Form direkt via Spray-Coating auf die Katalysatorschichten von Brennstoffzellen. Nach dem Austrocknen führt dies zu einer erheblichen Reduktion des gesamten Zellwiderstands und somit zu einer höheren Leistung. Zudem verstärken wir die Membran mit Nanopartikeln und Nanofasern, was in einer erhöhten chemischen und mechanischen Stabilität resultiert.

Graphen und Carbon-Nano-Tubes als Katalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion
Die hohen Kosten von Platin gelten als die größte Hürde für die Vermarktung von Brennstoffzellen. Mit metallfreien, dotierten Graphen-Flakes und Carbon-Nano-Tubes oder nichtedlen Metallkatalysatoren erforschen wir kostengünstige Alternativen zu Platin. Diese Materialien synthetisieren und charakterisieren wir in unseren eigenen Labors.

Rekonstruktion von Elektroden zur Simulation von Stoff-Transport
Durch eine von uns entwickelte Infiltrationsmethode für mikroporöse Materialien via Atomic Layer Deposition sind wir erstmals in der Lage verlässliche 3D-Rekonstruktionen der Nanostruktur  von Brennstoffzellen- und Batterie-Elektroden herzustellen. Mit unserer umfangreichen Software-Ausstattung ist es uns möglich quantitative Aussagen über den Stofftransport in diesen Elektroden zu treffen.

 

Projekte und Fördergeber

 

Laufende Projekte 
  • Inspire, EU Horizon 2020
  • Capri, BLBT
  • Neurofast, BMBF
  • PowerMee, BMBF
  • Repos, BMBF
  • Dekade, BMBF

 

Vergangene Projekte 

 

 

Team

 

PM 2017 Ausschnitt

 

 

Wichtigste Publikationen

     

    Electrocatalysis for fuel cells

    • C. V. Pham, M. Klingele, B. Britton, K. R. Vuyyuru, T. Unmuessig, S. Holdcroft, A. Fischer, S. Tiele, Tridoped Reduced Graphene Oxide as a Metal‐Free Catalyst for Oxygen Reduction Reaction Demonstrated in Acidic and Alkaline Polymer Electrolyte Fuel Cells, 2017, Advanced Sustainable Systems


    Manufacturing of fuel cells

    • M. Breitwieser, C. Klose, A. Hartmann, A. Büchler, M. Klingele, S. Vierrath, R. Zengerle, S. Thiele, Cerium Oxide Decorated Polymer Nanofibers as Effective Membrane Reinforcement for Durable, High‐Performance Fuel Cells, 2017, Advanced Energy Materials
    • M. Klingele, M. Breitwieser, R. Zengerle, S. Thiele, Direct deposition of proton exchange membranes enabling high performance hydrogen fuel cells, 2015, Journal of Materials Chemistry A

     

    Imaging and virtual design of fuel cells, electrolysers and batteries

    • P. Lettenmeier, S. Kolb, N. Sata, A. Fallisch, L. Zielke, S. Thiele, A. S. Gago, K. A. Friedrich, Comprehensive investigation of novel pore-graded gas diffusion layers for high-performance and cost-effective proton exchange membrane electrolyzers, 2017, Energy and Environmental Science
    • S. Vierrath, F. Güder, A. Menzel, M. Hagner, R. Zengerle, M. Zacharias, S. Thiele, Enhancing the quality of the tomography of nanoporous materials for better understanding of polymer electrolyte fuel cell materials, 2015, Journal of Power Sources
    • L. Zielke, T. Hutzenlaub, D. R. Wheeler, C. W. Chao, I. Manke, A. Hilger, N. Paust, R. Zengerle, S. Thiele, Three‐Phase Multiscale Modeling of a LiCoO2 Cathode: Combining the Advantages of FIB–SEM Imaging and X‐Ray Tomography, 2015, Advanced Energy Materials
    • L. Zielke, T. Hutzenlaub, D. R. Wheeler, I. Manke, T. Arlt, N. Paust, R. Zengerle, S. Thiele, A Combination of X‐Ray Tomography and Carbon Binder Modeling: Reconstructing the Three Phases of LiCoO2 Li‐Ion Battery Cathodes, 2014, Advanced Energy Materials

     

     

    Weitere Publikationen

    1. A fully spray-coated fuel cell membrane electrode assembly using Aquivion ionomer with a graphene oxide/cerium oxide interlayer. M. Breitwieser, T. Bayer, A. Büchler, R. Zengerle, S. M. Lyth, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2017, 351, 145–150.
    2. Hydrogen concentrator demonstrator module with 19.8% solar-to-hydrogen conversion efficiency according to the higher heating value. A. Fallisch, L. Schellhase, J. Fresko, M. Zedda, J. Ohlmann, M. Steiner, A. Bösch, L. Zielke, S. Thiele, F. Dimroth, T. Smolinka, International Journal of Hydrogen Energy, 2017
    3. Tailoring the membrane-electrode interface in PEM fuel cells: A review and perspective on novel engineering approaches. M. Breitwieser, M. Klingele, S. Vierrath, R. Zengerle, S. Thiele, Advanced Energy Materials, accepted 2017,
    4. Cerium Oxide Decorated Polymer Nanofibers as Effective Membrane Reinforcement for Durable, High-Performance Fuel Cells. M. Breitwieser, C. Klose, A. Hartmann, A. Büchler, M. Klingele, S. Vierrath, R. Zengerle, S. Thiele, Advanced Energy Materials, 2017, 7, 1602100.
    5. Simple fabrication of 12 μm thin nanocomposite fuel cell membranes by direct electrospinning and printing. M. Breitwieser, C. Klose, M. Klingele, A. Hartmann, J. Erben, H. Cho, J. Kerres, R. Zengerle, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2017, 337, 137–144.
    6. Investigation on PEM water electrolysis cell design and components for a HyCon solar hydrogen generator. A. Fallisch, L. Schellhase, J. Fresko, M. Zechmeister, M. Zedda, J. Ohlmann, L. Zielke, N. Paust, T. Smolinka, Special Issue on The 21st World Hydrogen Energy Conference (WHEC 2016), 13-16 June 2016, Zaragoza, Spain, 2017, 42, 13544–13553.
    7. Sulfur doped reduced graphene oxide as metal-free catalyst for the oxygen reduction reaction in anion and proton exchange fuel cells. M. Klingele, C. Pham, K. R. Vuyyuru, B. Britton, S. Holdcroft, A. Fischer, S. Thiele, Electrochemistry Communications, 2017, 77, 71–75.
    8. Multiscale Tomography-Based Analysis of Fuel Cells: Towards a Fully Resolved Fuel Cell Reconstruction. M. Klingele, S. Vierrath, R. Moroni, S. Thiele, Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, accepted 2017,
    9. Electrospun sulfonated poly(ether ketone) nanofibers as proton conductive reinforcement for durable Nafion composite membranes. C. Klose, M. Breitwieser, S. Vierrath, M. Klingele, H. Cho, A. Büchler, J. Kerres, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2017, 361, 237–242.
    10. High surface hierarchical carbon nanowalls synthesized by plasma deposition using an aromatic precursor. K. Lehmann, O. Yurchenko, A. Heilemann, S. Vierrath, L. Zielke, S. Thiele, A. Fischer, G. Urban, Carbon, 2017, 118, 578–587.
    11. Comprehensive Investigation of Novel Pore-Graded Gas Diffusion Layers for High-Performance and Cost-Effective Proton Exchange Membrane Electrolyzers. P. Lettenmeier, S. Kolb, L. Zielke, S. Thiele, A. Fallisch, N. Sata, A. S. Gago, K. A. Friedrich, Energy Environ. Sci., 2017,
    12. Study of the Mechanisms of Internal Short Circuit in a Li/Li Cell by Synchrotron X-ray Phase Contrast Tomography. F. Sun, R. Moroni, K. Dong, H. Markötter, D. Zhou, A. Hilger, L. Zielke, R. Zengerle, S. Thiele, J. Banhart, I. Manke, ACS Energy Letters, 2017, 2, 94–104.
    13. Tridoped Reduced Graphene Oxide as a Metal-Free Catalyst for Oxygen Reduction Reaction Demonstrated in Acidic and Alkaline Polymer Electrolyte Fuel Cells. C. van Pham, M. Klingele, B. Britton, K. R. Vuyyuru, T. Unmuessig, S. Holdcroft, A. Fischer, S. Thiele, Advanced Sustainable Systems, 2017, 1, 1600038.
    14. A Review on Metal-Free Doped Carbon Materials Used as Oxygen Reduction Catalysts in Solid Electrolyte Proton Exchange Fuel Cells. M. Klingele, C. van Pham, A. Fischer, S. Thiele, Fuel Cells, 2016, 16, 522–529.
    15. A completely spray-coated membrane electrode assembly. M. Klingele, B. Britton, M. Breitwieser, S. Vierrath, R. Zengerle, S. Holdcroft, S. Thiele, Electrochemistry Communications, 2016, 70, 65–68.
    16. Water management in novel direct membrane deposition fuel cells under low humidification. M. Breitwieser, R. Moroni, J. Schock, M. Schulz, B. Schillinger, F. Pfeiffer, R. Zengerle, S. Thiele, International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41, 11412–11417.
    17. 3D Analysis of the Porosity in MgB2 Wires Using FIB Nanotomography. M. Hagner, J. Fritz, P. Alknes, C. Scheuerlein, L. Zielke, S. Vierrath, S. Thiele, B. Bordini, A. Ballarino, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 1.
    18. Multi-Scale Correlative Tomography of a Li-Ion Battery Composite Cathode. R. Moroni, M. Borner, L. Zielke, M. Schroeder, S. Nowak, M. Winter, I. Manke, R. Zengerle, S. Thiele, Scientific Reports, 2016, 6, 30109.
    19. Morphological Evolution of Electrochemically Plated/Stripped Lithium Microstructures Investigated by Synchrotron X-ray Phase Contrast Tomography. F. Sun, L. Zielke, H. Markotter, A. Hilger, D. Zhou, R. Moroni, R. Zengerle, S. Thiele, J. Banhart, I. Manke, ACS nano, 2016, 10, 7990 – 7997
    20. The reasons for the high power density of fuel cells fabricated with directly deposited membranes. S. Vierrath, M. Breitwieser, M. Klingele, B. Britton, S. Holdcroft, R. Zengerle, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2016, 326, 170–175.
    21. Directly deposited Nafion/TiO 2 composite membranes for high power medium temperature fuel cells. N. Wehkamp, M. Breitwieser, A. Büchler, M. Klingele, R. Zengerle, S. Thiele, RSC Adv, 2016, 6, 24261–24266.
    22. Influence of carbon substrate on the electrochemical performance of carbon/manganese oxide hybrids in aqueous and organic electrolytes. M. Zeiger, S. Fleischmann, B. Krüner, A. Tolosa, S. Bechtel, M. Baltes, A. Schreiber, R. Moroni, S. Vierrath, S. Thiele, V. Presser, RSC Adv, 2016, 6, 107163–107179.
    23. Three-dimensional morphology of the interface between micro porous layer and catalyst layer in a polymer electrolyte membrane fuel cell. L. Zielke, S. Vierrath, R. Moroni, A. Mondon, R. Zengerle, S. Thiele, RSC Adv, 2016, 6, 80700–80705.
    24. Synchrotron X-ray Tomographic Study of a Silicon Electrode Before and After Discharge and the Effect of Cavities on Particle Fracturing. L. Zielke, F. Sun, H. Markötter, A. Hilger, R. Moroni, R. Zengerle, S. Thiele, J. Banhart, I. Manke, ChemElectroChem, 2016, 3, 1170–1177.
    25. Improved Pt-utilization efficiency of low Pt-loading PEM fuel cell electrodes using direct membrane deposition. M. Breitwieser, M. Klingele, B. Britton, S. Holdcroft, R. Zengerle, S. Thiele, Electrochemistry Communications, 2015, 60, 168–171.
    26. Direct deposition of proton exchange membranes enabling high performance hydrogen fuel cells. M. Klingele, M. Breitwieser, R. Zengerle, S. Thiele, Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 11239–11245.
    27. Quantification of artifacts in scanning electron microscopy tomography: Improving the reliability of calculated transport parameters in energy applications such as fuel cell and battery electrodes. M. Klingele, R. Zengerle, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2015, 275, 852–859.
    28. Enhancing the quality of the tomography of nanoporous materials for better understanding of polymer electrolyte fuel cell materials. S. Vierrath, F. Güder, A. Menzel, M. Hagner, R. Zengerle, M. Zacharias, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2015, 285, 413–417.
    29. Morphology of nanoporous carbon-binder domains in Li-ion batteries—A FIB-SEM study. S. Vierrath, L. Zielke, R. Moroni, A. Mondon, D. R. Wheeler, R. Zengerle, S. Thiele, Electrochemistry Communications, 2015, 60, 176–179.
    30. Degradation of Li/S Battery Electrodes On 3D Current Collectors Studied Using X-ray Phase Contrast Tomography. L. Zielke, C. Barchasz, S. Waluś, F. Alloin, J.-C. Leprêtre, A. Spettl, V. Schmidt, A. Hilger, I. Manke, J. Banhart, R. Zengerle, S. Thiele, Scientific Reports, 2015, 5, 10921.
    31. Three-Phase Multiscale Modeling of a LiCoO2 Cathode: Combining the Advantages of FIB–SEM Imaging and X-Ray Tomography. L. Zielke, T. Hutzenlaub, D. R. Wheeler, C.-W. Chao, I. Manke, A. Hilger, N. Paust, R. Zengerle, S. Thiele, Advanced Energy Materials, 2015, 5, 1401612.
    32. Three-dimensional electrochemical Li-ion battery modelling featuring a focused ion-beam/scanning electron microscopy based three-phase reconstruction of a LiCoO2 cathode. T. Hutzenlaub, S. Thiele, N. Paust, R. Spotnitz, R. Zengerle, C. Walchshofer, Electrochimica Acta, 2014, 115, 131–139.
    33. On the importance of FIB-SEM specific segmentation algorithms for porous media. M. Salzer, S. Thiele, R. Zengerle, V. Schmidt, Materials Characterization, 2014, 95, 36–43.
    34. Tomography based screening of flow field / current collector combinations for PEM water electrolysis. L. Zielke, A. Fallisch, N. Paust, R. Zengerle, S. Thiele, RSC Advances, 2014, 4, 58888–58894.
    35. A Combination of X-Ray Tomography and Carbon Binder Modeling: Reconstructing the Three Phases of LiCoO2 Li-Ion Battery Cathodes. L. Zielke, T. Hutzenlaub, D. R. Wheeler, I. Manke, T. Arlt, N. Paust, R. Zengerle, S. Thiele, Advanced Energy Materials, 2014, 4, 1301617.
    36. FIB/SEM-based calculation of tortuosity in a porous LiCoO2 cathode for a Li-ion battery. T. Hutzenlaub, A. Asthana, J. Becker, D. R. Wheeler, R. Zengerle, S. Thiele, Electrochemistry Communications, 2013, 27, 77–80.
    37. How Coarsening the 3D Reconstruction of a Porous Material Influences Diffusivity and Conductivity Values. T. Hutzenlaub, J. Becker, R. Zengerle, S. Thiele, ECS Electrochemistry Letters, 2013, 2, F14‐F17.
    38. Modelling the water distribution within a hydrophilic and hydrophobic 3D reconstructed cathode catalyst layer of a proton exchange membrane fuel cell. T. Hutzenlaub, J. Becker, R. Zengerle, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2013, 227, 260–266.
    39. Multiscale tomography of nanoporous carbon-supported noble metal catalyst layers. S. Thiele, T. Fürstenhaupt, D. Banham, T. Hutzenlaub, V. Birss, C. Ziegler, R. Zengerle, Journal of Power Sources, 2013, 228, 185–192.
    40. Three-Dimensional Reconstruction of a LiCoO2 Li-Ion Battery Cathode. T. Hutzenlaub, S. Thiele, R. Zengerle, C. Ziegler, Electrochemical and Solid-State Letters, 2012, 15, A33.
    41. Nano-morphology of a polymer electrolyte fuel cell catalyst layer: imaging, reconstruction and analysis. S. Thiele, R. Zengerle, C. Ziegler, Nano Research, 2011, 4, 849–860.
    42. Direct three-dimensional reconstruction of a nanoporous catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell. C. Ziegler, S. Thiele, R. Zengerle, Journal of Power Sources, 2011, 196, 2094–2097.

     

     

     

     

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