TY  - THES
A1  - Rumpel, Matthias
T1  - Development of Components for Solid-State Batteries and their Characterization
T1  - Entwicklung von Komponenten für Festkörperbatterien und deren Charakterisierung
N2  - This Ph.D. thesis has addressed several main issues in current ASSB research within four studies. Ceramic ASSBs are meant to enable the implementation of Li-metal anodes and high voltage cathode materials, which would increase energy density, power density, life time as well as safety aspects in comparison with commercially available liquid electrolyte LiBs. In this thesis, several scientific questions arising on the cathode side of ASSBs have been focused on. With respect to the target system of a ternary composite bulk cathode consisting of ceramic active material, ceramic SSE and an electrically conductive component, studies about the thermal stabilities of these components and their impact on the electrochemical performance have been conducted. Particulate bulk cathode composites have to fulfil electrochemical, chemical, mechanical and structural requirements in order to compete with commercial LiBs. Particularly, the production process requires high-temperature sintering to obtain firmly bonded contacts in order to maximize the electrochemically active area, charge transfer and ionic conduction. However, interdiffusion, intermixing and decomposition of the initial components during sintering result in low-performing ASSBs so far.
These side reactions during high-temperature treatment have been investigated in order to gain a better understanding of these mechanisms and to enable a better controlling of the manufacturing process as well as to simplify the choice of material combinations. The first two parts of this thesis deal with the thermal stability of the ceramic SSE LATP in combination with various active materials and with the validation of a probable improvement of the sintering process due to liquid phase sintering of LATP by adding Li3PO4. In the third and fourth parts, the impact of interdiffusion, intermixing and decomposition on the electrochemical performance of TF-SSBs based on the active material LMO and the ceramic SSE Ga-LLZO has been investigated.
N2  - Diese Dissertation befasst sich in vier Studien mit mehreren Hauptthemen der aktuellen Festkörperbatterieforschung (engl.: all solid-state battery, ASSB). Keramische Festkörperbatterien sollen den Einsatz von Li-Metallanoden und Hochvoltkathodenmaterialien ermöglichen, was die Energiedichte, Leistungsdichte, Lebensdauer sowie Sicherheitsaspekte im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Lithiumionenbatterien mit flüssigen Elektrolyten erhöhen würde. In dieser Arbeit wurden mehrere wissenschaftliche Fragestellungen untersucht, die sich auf der Kathodenseite von ASSBs ergeben. Im Hinblick auf das Zielsystem einer ternären Kompositkathode, bestehend aus keramischem Aktivmaterial, keramischem Festkörperelektrolyt und einer elektrisch leitfähigen Komponente, wurden Untersuchungen über die thermischen Stabilitäten dieser Komponenten und deren Einfluss auf die elektrochemische Leistung durchgeführt. Partikuläre Kathodenkomposite müssen elektrochemische, chemische, mechanische und strukturelle Anforderungen erfüllen, um mit kommerziellen Lithiumionenbatterien konkurrieren zu können. Insbesondere erfordert der Produktionsprozess ein Hochtemperatursintern, um eine stoffschlüssige Anbindung zu erhalten, damit die elektrochemisch aktive Fläche, der Ladungstransfer und die Ionenleitung maximiert werden können. Allerdings führen Interdiffusion, Vermischung und Zersetzung der Ausgangskomponenten während des Sinterns bisher zu ASSBs mit geringer Leistung. Diese Nebenreaktionen während der Hochtemperaturbehandlung wurden untersucht, um ein besseres Verständnis dieser Mechanismen zu erlangen und eine bessere Steuerung des Herstellungsprozesses sowie eine einfachere Auswahl von Materialkombinationen zu ermöglichen. Die ersten beiden Teile dieser Arbeit befassen sich mit der thermischen Stabilität des Festkörperelektrolyten LATP in Kombination mit verschiedenen Aktivmaterialien und mit der Validierung einer möglichen Verbesserung des Sinterprozesses durch Flüssigphasensinterung von LATP durch Zugabe von Li3PO4. Im dritten und vierten Teil wurde der Einfluss von Interdiffusion, Durchmischung und Zersetzung auf die elektrochemische Leistung von Dünnschicht-Festkörperbatterien basierend auf dem Aktivmaterial LMO und dem keramischen Festkörperelektrolyten Ga-LLZO untersucht.
KW  - Elektrochemie
KW  - all solid-state battery
KW  - solid-state electrolyte
KW  - lithium-ion battery
KW  - electrochemistry
KW  - Festkörperakkumulator
KW  - Lithium-Ionen-Akkumulator
KW  - Festelektrolyt
KW  - Festkörperbatterie
KW  - Lithium-Ionen Batterie
KW  - Festkörperelektrolyt
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-347154
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bauer, Christian
T1  - Towards ecological and efficient electrochemical energy storage in supercapacitors and sodium ion batteries using onion-like carbon
T1  - Ökologische und effiziente elektrochemische Energiespeicherung in Superkondensatoren und Natriumionen-Batterien mit Kohlenstoff-Nanozwiebeln
N2  - In this thesis, the usage of onion-like carbon (OLC) for energy storage applications was researched regarding sustainability, performance and processability. This work targets to increase the scientific understanding regarding the role of OLC in electrodes and to facilitate a large-scale production, which is the foundation for commercial application. Research was devoted to increase the knowledge in the particular field, to yield synergistic approaches and a shared value regarding sustainability and performance.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Verwendung von Onion-like Carbon (OLC) als Aktivmaterial zur Energiespeicherung untersucht. Die Arbeit zielte darauf ab, das wissenschaftliche Verständnis der Rolle von OLC im Kontext der elektrochemischen Energiespeicherung zu verbessern. Hierfür wurde an den Prozessschritten und Verfahren gearbeitet, um OLC-basierte Elektroden erfolgreich in Superkondensatoren und Pseudokondensatoren zu verwenden. Auch der Einsatz von OLC als Aktivmaterial für Natriumionenbatterien wurde erforscht, wobei sich das Material in dieser Anwendung als Aktivmaterial ungeeignet erwies. Die Bearbeitungen dieser Fragestellungen war darauf ausgerichtet, das Wissen in diesem Bereich zu erweitern, synergetische Ansätze für Problemlösungen zu finden und einen Mehrwert in Bezug auf Nachhaltigkeit, Performance und Prozessierbarkeit zu schaffen.
KW  - Elektrochemie
KW  - Chemie
KW  - Anode
KW  - Kohlenstoff
KW  - Superkondensator
KW  - OLC
KW  - SIB
KW  - PEDOT
KW  - Supercap
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-317956
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bozkaya, Begüm
T1  - Influence of Carbon Additives on the Electrochemical Performance of Modern Lead-Acid Batteries
T1  - Einfluss von Kohlenstoffadditiven auf die elektrochemische Leistung moderner Blei-Säure-Batterien
N2  - In the first part of this thesis, a validation of both short-term and long-term DCA tests on 2 V laboratory cells is focussed. The aim is to improve the laboratory cell level measurement technology for dynamic charge acceptance regarding the investigation of carbon additives. To address this issue, it is crucial to apply carbon additives generating a remarkable difference in charge acceptance. For this purpose, five different carbon additives providing a variation in the specific external surface were included as additives in the negative plates of 2 V lead-acid cells. Both short-term (charge acceptance test 2 from SBA and DCA from EN) and long-term (Run-in DCA from Ford) DCA tests were executed on the lead-acid cells. Further understanding of the mechanism was studied by applying electrochemical methods like cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy.

The second part of this thesis aims to understand the impact of carbon surface functional groups on the electrochemical activity of the negative electrodes as well as the DCA of 2 V lead-acid cells. In order to address this topic, commercially available activated carbon was modified by different chemical treatments to incorporate specific surface functional groups in the carbon structure. A series of activated carbons having a broad range of pH was prepared, which were used as additives in the negative electrodes. The corresponding lead-acid cells were subjected to cyclic voltammetry and DCA test according to EN. Further, the physical and chemical properties of the functionalized carbon additives were intensively analyzed to establish a structure-property relationship with a focus on DCA.
N2  - Im ersten Teil dieser Arbeit geht es um die Validierung von Kurzzeit- und Langzeit-DCA-Tests an 2-V-Laborzellen. Ziel ist es, die Messtechnik für die dynamische Ladungsakzeptanz auf Laborzellenniveau im Hinblick auf die Untersuchung von Kohlenstoffadditiven zu verbessern. Dazu ist es entscheidend, Kohlenstoffadditive einzusetzen, die einen deutlichen Unterschied in der Ladungsakzeptanz bewirken. Zu diesem Zweck wurden fünf verschiedene Kohlenstoffadditive, die eine Variation der spezifischen äußeren Oberfläche bewirken, als Additive in die negativen Platten von 2-V-Blei-Säure-Zellen eingebracht. An den Blei-Säure-Zellen wurden sowohl Kurzzeit- (Ladeakzeptanztest 2 von SBA und DCA von EN) als auch Langzeit-DCA-Tests (Run-in DCA von Ford) durchgeführt. Zum weiteren Verständnis des Mechanismus wurden elektrochemische Methoden wie zyklische Voltammetrie und elektrochemische Impedanzspektroskopie eingesetzt. 
Der zweite Teil dieser Arbeit zielt darauf ab, den Einfluss der funktionellen Kohlenstoffoberflächengruppen auf die elektrochemische Aktivität der negativen Elektroden sowie auf die DCA von 2-V-Bleisäurezellen zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde handelsübliche Aktivkohle durch verschiedene chemische Behandlungen modifiziert, um spezifische funktionelle Oberflächengruppen in die Kohlenstoffstruktur einzubringen. Es wurde eine Reihe von Aktivkohlen mit einem breiten pH-Bereich hergestellt, die als Zusätze in den negativen Elektroden verwendet wurden. Die entsprechenden Blei-Säure-Zellen wurden der zyklischen Voltammetrie und dem DCA-Test gemäß EN unterzogen. Außerdem wurden die physikalischen und chemischen Eigenschaften der funktionalisierten Kohlenstoffadditive intensiv analysiert, um eine Struktur-Eigenschafts-Beziehung mit Schwerpunkt auf DCA herzustellen.
KW  - Bleiakkumulator
KW  - Blei
KW  - Batterie
KW  - Kohlenstoff
KW  - Elektrochemie
KW  - Lead-acid batteries
KW  - Carbon additives
KW  - Dynamic charge acceptance
KW  - Carbon surface chemistry
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-319174
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TY  - THES
A1  - Hofmann, Michael
T1  - Overcoming Obstacles in the Aqueous Processing of Nickel-rich Layered Oxide Cathode Materials
T1  - Überwindung von Hindernissen bei der wässrigen Verarbeitung von nickelreichen Schichtoxid-Kathodenmaterialien
N2  - The implementation of a water-based cathode manufacturing process is attractive, given the prospect of improved sustainability of future lithium-ion batteries. However, the sensitivity of many cathode materials to water poses a huge challenge. 
Within the scope of this work, a correlation between the water sensitivity of cathode materials from the class of layered oxides and their elemental composition was identified. In particular for the cathode material LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA), the processes taking place in aqueous medium were clarified in detail. Based on this knowledge, the surface of NCA particles could be specifically modified, which led to a reduced water sensitivity. As a result, the electrochemical performance of cells with water-based NCA cathodes was significantly improved and a remarkable long-term cycling performance was achieved.
The present work contributes to a deeper understanding of the water sensitivity of cathode materials and at the same time presents a promising approach to overcome this obstacle. Consequently, this work advances the successful widespread realization of water-based cathode manufacturing.
N2  - Die Nachhaltigkeit zukünftiger Lithium-Ionen-Batterien kann durch die Implementierung eines wasserbasierten Herstellungsverfahrens für Kathoden verbessert werden. Die Wasserempfindlichkeit vieler Kathodenmaterialien stellt hierbei jedoch eine große Herausforderung dar. 
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Zusammenhang zwischen der Wasserempfindlichkeit von Kathodenmaterialien der Klasse der Schichtoxide und deren Elementzusammensetzung hergestellt. Insbesondere für das extrem wasserempfindliche Kathodenmaterial LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA) wurden die im wässrigen Medium ablaufenden Prozesse detailliert aufgeklärt. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnte die Oberfläche von NCA-Partikeln gezielt modifiziert und damit die Wasserempfindlichkeit reduziert werden. Infolgedessen konnte die elektrochemische Performance von Zellen mit wasserbasierten NCA-Kathoden signifikant verbessert und eine bemerkenswerte Langzeitperformance erzielt werden. 
Die vorliegende Arbeit trägt somit zu einem tieferen Verständnis der Wasserempfindlichkeit von Kathodenmaterialien bei und liefert zugleich einen vielversprechenden Ansatz, um diese zu minimieren. So wird die erfolgreiche Realisierung der wässrigen Kathodenherstellung vorangetrieben.
KW  - Elektrochemie
KW  - Kathode
KW  - Lithium-Ionen-Akkumulator
KW  - cathode material
KW  - aqueous processing
KW  - lithium-ion battery
KW  - layered oxides
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-273787
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TY  - THES
A1  - Macher, Sven
T1  - On the Effects of Moisture on Polymer-Based Electrochromic Devices
T1  - Über die Auswirkung von Feuchtigkeit auf Polymer-basierte Elektrochrome Elemente
N2  - The present work builds on a conjugated electrochromic polymer with a highly transmissive and colorless bright state and its application in electrochromic devices. The main body of this work focuses on the investigation of the influence of moisture on electrochromic devices and solutions to overcome possible degradation of these devices due to moisture ingress.

Firstly, a series of EDOT derivatives with a terminal double bond in the lateral sidechain to potentially achieve a highly transmissive and fully colorless bright state was investigated. All of the EDOT derivatives were electrochemically polymerized and characterized by means of (in-situ) spectroelectrochemistry. The results highlight the dramatic influence of the terminal double bond on the improved visible light transmittance and color neutrality in the bright state. After detailed evaluation and comparison, the best performing compound, which contains a hexenyl sidechain (PEDOT-EthC6), was scaled-up by changing the deposition technique from an electrochemical to a chemical in-situ polymerization process on a R2R-pilot line in an industrially relevant environment. The R2R-processed PEDOTEthC6 half-cells were characterized in detail and provide enhanced electrochromic properties in terms of visible light transmittance and color neutrality in the bright state as well as short response times, improved contrast ratio, coloration efficiency and cycling stability (10 000 cycles).[21]

In a second step, the novel PEDOT-EthC6 electrochromic polymer was combined with a Prussian Blue counter electrode and a solid polymer electrolyte to form an all-solid-sate ECDs based on complementary switching electrodes and PET-ITO as flexible substrates. The fabricated ECDs were optically and spectroelectrochemically characterized. Excellent functionality of the S2S-processed flexible ECDs was maintained throughout 10 000 switching cycles under laboratory conditions. The ECDs offer enhanced electrochromic properties in terms of visible light transmittance change and color neutrality in the bright state as well as contrast ratio, coloration efficiency, cycling stability and fast response times. Furthermore, the final device assembly was transferred from a S2S-process to a continuous R2R-lamination process.[238]

In a third step, the PEDOT-EthC6/PB-based ECDs were submitted to conscious environmental aging tests. The emphasis of the research presented in this work, was mainly put at the influence of moisture and possible failure mechanisms regarding the PEDOT-EthC6/PB based ECDs. An intense brown coloration of the electrodes was observed while cycling the ECDs in humid atmospheres (90% rH) as a major degradation phenomenon. The brown coloration and a thereby accompanied loss of conductivity of the PET-ITO substrates was related to significant degradation of the ITO layers, inserted as the conductive layers in the flexible ECDs. A dissolution of the ITO thin films and formation of metallic indium particles on the surface of the ITO layers was observed that harmed the cycling stability enormously. The conductive layers of the aged ECDs were investigated by XRD, UV-Vis, SEM and spectroelectrochemical measurements and validated the supposed irreversible reduction of the ITO layers.[279]

In the absence of reasonable alternatives to PET-ITO for flexible (R2R-processed) ECDs, it is also important to investigate measures to avoid the degradation of ECDs. This is primarily associated with the avoidance of appropriate electrode potentials necessary for ITO reduction in humid atmospheres. As an intrinsic action point, the electrode potentials were investigated via electrochemical measurements in a three-electrode setup of an all-solid-state ECD. Extensive knowledge on the electrode potentials allowed the voltage-induced degradation of the ITO in flexible ECDs to be avoided through the implementation of an unbalanced electrode configuration (charge density ratio of working and counter electrode). It was possible to narrow the overall operational voltage window to an extent in which irreversible ITO reduction no longer occurs. The unbalanced electrode configuration lead to an improved cycling stability without harming other characteristics such as response time and light transmittance change and allows ECD operation in the presence of humidity.[279]

The avoidance of the mentioned degradation phenomena is further associated with appropriate sealing methods and materials as well as appropriate electrode and device fabrication processes. Since a variety of sealing materials is commercially available, due to the commercial launch of organic photovoltaic (OPV) and light emitting diodes (OLEDs), the focus in the present work was put to water-free electrode fabrication. As an extrinsic action point, a novel preparation method of a nanoscale PEDOT-EthC6 dispersion based on organic solvents is presented here in a final step. The water-free processing method gives access to straightforward printing and coating processes on flexible PET-ITO substrates and thus represents a promising and simplified alternative to the established PEDOT:PSS. The resulting nano-PEDOT-EthC6 thin films exhibit enhanced color neutrality and transmissivity in the bright state and are comparable to the properties of the in-situ polymerized PEDOT-EthC6 thin films.[280]
N2  - Die vorliegende Arbeit beruht auf einem konjugierten elektrochromen Polymer mit hochtransmissivem und farblosem Hellzustand sowie dessen Anwendung in elektrochromen Elementen. Der Hauptteil die-ser Arbeit konzentriert sich auf den Einfluss von Feuchtigkeit auf elektrochrome Elemente sowie Lösun-gen, um einer möglichen Degradation dieser Systeme aufgrund der Einwirkung von Feuchtigkeit entge-genzuwirken. 

In einem ersten Schritt wurde eine Reihe von EDOT-Derivaten mit terminalen Doppelbindung in einer lateralen Seitenkette untersucht, um einen hochtransmissiven und vollständig farblosen Hellzustand zu erreichen. Alle EDOT-Derivate wurden elektrochemisch polymerisiert und mittels (in-situ) spektroelekt-rochemischer Messungen charakterisiert. Die Ergebnisse unterstreichen den dramatischen Einfluss der terminalen Doppelbindung auf die verbesserte Transmission und Farbneutralität im Hellzustand. Nach einer detaillierten Bewertung und entsprechendem Vergleich wurden die Dünnschichten der Verbin-dung mit den besten Eigenschaften, welche eine Hexenylseitenkette (PEDOT-EthC6) enthält, hochska-liert. Dazu wurde die elektrochemische Abscheidung durch einen chemischen in-situ-Polymerisationsprozess ersetzt. Dies ermöglicht die Abscheidung elektrochromer Dünnschichten im großen Maßstab auf einer R2R-Beschichtungsanlage. Die mittels R2RBeschichtung abgeschiedenen PE-DOT-EthC6-Dünnschichten wurden daraufhin detailliert charakterisiert und zeigen verbesserte elektro-chrome Eigenschaften hinsichtlich visueller Transmission und Farbneutralität im Hellzustand, kurze Schaltzeiten, ein verbessertes Kontrastverhältnis sowie verbesserte Färbeeffizienz und Zyklenstabilität (10 000 Zyklen).[21]

Im zweiten Schritt wurden PEDOT-EthC6-Halbzellen mit Preußisch Blau-Gegenelektroden und einem festen Polymerelektrolyten kombiniert und ein Festkörper- ECD auf Basis koplementär-färbender Elekt-roden und flexiblen PET-ITO-Substraten realisiert. Die hergestellten ECDs wurden optisch und (spektro-)elektrochemisch charakterisiert. Die Funktionalität der S2S-assemblierten flexiblen ECDs wurde über 10 000 Schaltzyklen unter Laborbedingungen getestet. Die ECDs bieten verbesserte elektrochrome Eigenschaften hinsichtlich der visuellen Transmission und Farbneutralität im Hellzustand sowie des Kon-trastverhältnisses, der Färbeeffizienz, Zyklenstabilität und Schaltzeit. Darüber hinaus wurde die S2S-Laminierung der ECDs in einen kontinuierlichen R2R-Laminierprozess übertragen.[238]

Dann wurden die PEDOT-EthC6/PB-basierten ECDs kontrollierten Alterungstests unterzogen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag hauptsächlich auf dem Einfluss von Feuchtigkeit und den daraus resultie-renden Degradationsmechanismen des PEDOT-EthC6/PB-Systems. Während die ECDs in feuchter At-mosphäre (90 % rH) zyklisiert wurden, konnte eine intensive Braunfärbung der Elektroden beobachtet werden. Die braune Färbung und ein damit einhergehender Verlust der Leitfähigkeit wurde auf eine signifikante Degradation der ITO-Schichten zurückgeführt, die als leitfähige Schichten in den flexiblen ECDs Verwendung fanden. Die Auflösung der ITO-Dünnschichten sowie die Bildung von metallischen Indiumpartikeln auf der Oberfläche der ITO-Schichten wurde beobachtet und als Ursache für die ver-minderte Zyklenstabilität herangezogen. Die leitfähigen Schichten der gealterten ECDs wurden durch XRD-, UV-Vis-, REM- und (spektro-) elektrochemische Messungen untersucht und die vermutete irre-versible Reduktion der ITO- Schichten bestätigt.[279]

Mangels Alternativen zu PET-ITO für flexible (R2R-prozessierte) ECDs ist es wichtig, Maßnahmen zur Vermeidung der Degradation von ECDs zu untersuchen. Dies ist in erster Linie mit der Vermeidung ge-eigneter Elektrodenpotentiale verbunden, die für die Reduktion von ITO in feuchter Atmosphäre erfor-derlich sind. Als intrinsische Maßnahme wurden die Elektrodenpotentiale durch elektrochemische Mes-sungen in einem Drei-Elektroden-Aufbau eines Festkörper-ECD untersucht. Aufgrund der umfassende Kenntnis der Elektrodenpotentiale konnte die spannungsinduzierte Degradation der enthaltenen ITO-Schichten durch die Implementierung einer unbalancierten Elektrodenkonfiguration (Ladungsdichte-verhältnis von Arbeits- und Gegenelektrode) vermieden werden. Es war dadurch möglich, das gesamte Spannungsfenster zum Betrieb des ECD so weit einzuschränken, dass keine irreversible ITO-Reduktion mehr auftrat. Die unbalancierte Elektrodenkonfiguration führt zu einer verbesserten Zyklenstabilität, ohne andere Eigenschaften wie Schaltzeit oder visuellen Transmissionshub zu beeinträchtigen und er-möglicht daher den Betrieb von ECDs auch in feuchter Atmosphäre.[279]

Die Vermeidung der genannten Degradationsphänomene ist ferner mit geeigneten Versiegelungsver-fahren und -materialien sowie geeigneten Elektroden- und Assemblierungsverfahren möglich. Da auf-grund der kommerziellen Einführung von organischer Photovoltaik (OPV) und organischer Leuchtdio-den (OLEDs) eine Vielzahl von Versiegelungsmaterialien kommerziell erhältlich ist, lag der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit auf der Herstellung wasserfreier Elektroden. Als extrinsische Maßnahme wurde in einem letzten Schritt eine neuartige Herstellungsmethode für eine nanoskaligen PEDOT-EthC6-Dispersion auf Basis organischer Lösungsmittel entwickelt. Die wasserfreie Verarbeitungsmethode er-möglicht einfache Druck- und Beschichtungsprozesse auf flexiblen PET-ITO-Substraten und stellt somit eine vielversprechende und vereinfachte Alternative zu etabliertem PEDOT:PSS dar. Die resultierenden PEDOT-EthC6-Schichten zeigen im Hellzustand ebenfalls eine verbesserte Farbneutralität sowie visuelle Transmission und sind vergleichbar mit den Eigenschaften der in-situ-polymerisierten PEDOT-EthC6-Schichten.[280]
KW  - Elektrochromie
KW  - conjugated electrochromic polymers
KW  - electrochromic device
KW  - Elektrochemie
KW  - Polymere
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-242407
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TY  - THES
A1  - Völker, Sebastian
T1  - Synthesis, Spectroscopic and Electrochemical Properties of Squaraine Polymers
T1  - Synthese, Spektroskopische und Elektrochemische Eigenschaften von Squaraine Polymeren
N2  - In this work the synthesis, the spectroscopic and electrochemical investigation as well as some applications of a broad diversity of indolenine squaraine dyes were presented. This diversity was based on two parent squaraine dyes, one standard trans-configured compound (M1) and one in which one central oxygen atom was replaced by a dicyanomethylene moiety (M2), which increased the acceptor strength and induced a cis-configuration. The variety of synthesised dyes included functionalised squaraine monomers, donor- and acceptor-substituted monomeric model squaraines, donor- and acceptor-squaraine copolymers, pure squaraine homopolymers, a squaraine-squaraine copolymer, as well as some conjugated cyclic oligomers.
 
In order to be able to synthesise all these different kinds of dyes, several bromine and boronic ester derivatives were synthesised, which enabled the use of the Suzuki cross coupling reaction, to generate model dyes and copolymers. In addition, the bromine derivatives were used to carry out the Yamamoto homocoupling reaction to the respective homopolymers and macrocycles.
The absorption maximum of unsubstituted reference dye M1 was found at ~ 15500 cm–1, while that of M2 was red-shifted to ~ 14300 cm–1 due to the increased acceptor strength of the central unit. The extinction coefficients were in the order of ~ 300000 M–1 cm–1 and ~ 200000 M–1 cm–1, respectively. It was found that the implementation of functional groups (M3–M9), additional electron donors (M10–M19) or acceptors (M20–M22) at the periphery lead to bathochromic shifts of the absorption depending on the strength of either - and/or -donating properties of the substituents.
For the bis- and triarylamine substituted dyes M10–M13 and the dibrominated dyes M5 and M7 the electronic structure of the mono- and diradical (di)cations was explored using the interplay of cyclic voltammetry, spectroelectrochemistry, and DFT calculations. It was demonstrated that the monoradical cations still show a cyanine-like character and are delocalised Robin-Day class III species due to the low redox potential of the squaraine bridge between the additional amine redox centres. To the best of my knowledge, this made M13+∙, with an N-N-distance of 26 bonds between the additional redox centres to the longest bis(triarylamine) radical cation that is completely delocalised. For the diradical dications, the situation was of larger complexity. The computed most stable energetic state of the dianisylamine-substituted dyes turned out to be a broken-symmetry state with almost equal contributions of an open-shell singlet and triplet state. In addition, it was shown that the HOMO–1→HOMO transition dominated the absorption spectra of the diradical dications where the trans-/cis-configuration of the squaraines had a direct impact due to symmetry reasons.
Based on the donor–squaraine model compounds M10–M19, a series of donor–squaraine copolymers was synthesised (P7–P12) in order to further red shift and broaden the low energy absorption band. However, these effects were only of marginal extent. Both the optical and the electrochemical derived band gaps were barely lowered compared to the respective monomeric model dyes. This was assigned to an increased squaraine-squaraine distance and resulting lower exciton coupling between the squaraine chromophores due to the bridging units. In addition, according to semiempirical calculations the bridges were twisted out of the squaraine plane what reduced conjugational effects between the chromophores. To sum up, the idea to insert additional electron rich bridging units in order to create copolymers with broad and red-shifted absorption did not fully work out for the presented systems.
The addition of strong electron accepting NDI units at the periphery resulted in M21, the most unique monomeric model squaraine in this work. The common picture of a sharp low energy squaraine absorption completely altered due to the addition of the NDIs and a rather broad and solvent dependent low energy absorption was found. Spectroelectrochemical experiments and semiempirical calculations showed that this band is a superposition of the common squaraine HOMO→LUMO transition and a partial squaraine→NDI charge transfer transition. The latter was lost upon oxidation of the squaraine and the absorption spectrum of the monocation of M21 was found to be nearly a 1:1 image of a pure squaraine monocation. Both the monomeric model M21 and the respective copolymer P13 showed low electrochemically obtained band gaps of 1.05–1.20 eV, which were the lowest of all squaraines in this work. For both dyes, transient absorption measurements in the fs-time regime revealed the ultrafast formation of a CS state via an intermediate CT state within a few ps. Besides, charge recombination to the ground state also occured within a few ps. In the polymer, there was barely any further energy or charge transfer within the excited state lifetime and therefore the CS state was confined on adjacent squaraine-NDI pairs and did not further travel along the polymer strand.
The Ni-mediated Yamamoto homocoupling reaction was applied for the synthesis of the homopolymers (P1–P5). In contrast to the donor–squaraine copolymers, those polymers revealed strongly red-shifted and broad absorption in the red to NIR region in addition to a sharp fluorescence. These features could be explained to originate mainly from the exciton coupling of localised excited states and the presence of different superstructures in solution. For the polymers P1 and P2, an elongated J-type polymer chain caused the strong lowest energy absorption band whereas a zig-zag type arrangement of the single chromophores lead to transitions into both low and high energy excited states of the excitonic manifold. For the polymers P3 and P4, several polymer fractions of different size were investigated. Here, also an elongated chain with J-type character induced the lowest energy absorption band whereas a helical H-type arrangement caused transitions to higher energies of the excitonic manifold. The fractions to which these structures were formed depended on the chain length and the solvent. In thin film measurements, it was shown that the initially in solution formed superstructures were partly retained in the thin film but could be altered by annealing procedures. A control of the superstructures should enable the controlled tuning of the optical properties. Despite the strong interaction of the chromophores in the excited state, the redox potentials of the homopolymers barely differed to those of the respective reference dyes, indicating negligible electronic interaction in the ground state.
In addition squaraine-squaraine copolymer P6, consisting of alternating parent dyes M1 and M2, was synthesised. Likewise to the homopolymers, a broad and red-shifted absorption was observed. This was explained by exciton coupling theory, which was extended to also suit alternating copolymers. In toluene, an extraordinary narrow and intense lowest energy absorption band was observed. This exchange narrowing might be a result of a highly ordered J-type structure of the polymer especially in this solvent because it was not found in others. The features of the polymer may be compared to typical J-aggregates formed from monomeric cyanine molecules for example and the polymer used as model for excitonic interactions in an alternating copolymer. Transient absorption measurements revealed a strong energy dependence of the decay traces of the copolymer, most strikingly at early decay times. This was assigned to the occurrence of multiple excitations of one polymer strand (due to the large extinction coefficients of the polymer) and resulting exciton-exciton annihilation. Due to the large exciton diffusion constants that were estimated, the static exciton-exciton annihilation was the rate limiting process of the decay, in contrast to other conjugated polymers, where in thin film measurements the decay was diffusion controlled.
To sum up, for the polymers consisting of exclusively squaraine chromophores, it was shown that the exciton coupling of single chromophores with strong transition dipole moments was a fruitful way to tune the absorption spectra.
As a side product of some of the polycondensation reactions, unprecedented cyclic conjugated oligomers such as the triarylamine-bridged dimer Dim1, the cyclic homotrimers Tri1–Tri3, and the tetramer Tet1 were obtained by recycling GPC in low yields. Especially the cyclic trimers showed unusual absorption and even more extraordinary fluorescence properties. They showed multiple fluorescence bands in the NIR that covered a range from ~ 8000–12500 cm–1 (800–1250 nm). First hints from theoretical calculations indicated that the trimer was not fully planar but comprised a mixture of both planar and bent single squaraine chromophores. However, final results of the calculations were still missing at the time of writing.
In the last part of this work, the application of some monomeric and polymeric squaraines in binary and ternary bulk heterojunction solar cells was demonstrated. Also the utilisation as a dopant in a polymer matrix in an OLED device was shown. The homopolymers P1–P4 were tested in the binary BHJ solar cells revealing poor performances and especially very low short circuit currents. The utilisation of the polymers P3 and P4 that carried the dicyanomethylene group resulted in higher open circuit voltages due to the lower LUMO energy levels but still an overall poor performance. Neither for the different alkyl chains nor for the size of the polymers was a trend observed. In the ternary BHJ solar cells, small amounts of either monomer M14 or polymers P1A, P4–1 or P13 were added to a P3HT/PCBM system in order to generate an additional pathway for charge or energy transfer that should result in a better device performance. However, for none of the tested squaraines, improved solar cells could be built. In similarity to the binary solar cells, the short circuit currents were lower compared to a P3HT/PCBM reference device. These low short circuit currents indicated that the morphology of the squaraine dyes was the major limitation in those devices. It is possible that the dimethyl groups at the indolenine hindered a favoured alignment of the compounds that would allow decent charge transport. In the squaraine doped OLED the squaraine M6 worked rather well as an NIR emitter. Already at low dye loads the fluorescence of the host polymer SY-PPV was completely quenchend and emission from the squaraine was observed. For electroluminescence measurements, a lower dye load (0.5 wt.%) compared to the photoluminescence measurements was sufficient, indicating that apart from FRET additional quenching mechanisms were at work in the electrically driven devices such as charge carrier dynamics.
N2  - In dieser Arbeit wurde die Synthese sowie die spektroskopische und elektrochemische Untersuchung einer Reihe unterschiedlichster Squarainfarbstoffe präsentiert. Darüber hinaus wurde in diversen Kooperationen deren Verwendung in optoelektronischen Bauteilen wie z.B. organischen Solarzellen und OLEDs untersucht. Die große Vielfalt der Squaraine basierte auf zwei Indoleninsquarain Stammverbindungen. Das Squarain M1 ist ein klassisches Squarain und zeigt eine trans-Konfiguration der Indoleningruppen zueinander. In M2 wurde ein Sauerstoffatom durch eine Dicyanomethylengruppe ausgetauscht, was zu einer höheren Elektronenakzeptorstärke sowie einer cis-Konfiguration des Squarains führt.
 
Die Vielfalt der darauf basierenden Squaraine beinhaltete neben den unsubstituierten Referenzverbindungen funktionalisierte Squaraine, donor- und akzeptorsubstitutierte monomere Modellverbindungen, Donor- und Akzeptor-Squarain Copolymere, reine Squarain Homopolymere, ein Squarain-Squarain Copolymer sowie diverse konjugierte makrozyklische Squaraine.
Um überhaupt diese Vielfalt synthetisieren zu können, wurde zunächst eine Reihe monomerer Squaraine mit Brom- oder Borestergruppen synthetisiert, welche sich mittels Pd-katalysierter Suzuki-Kupplung in donor- und akzeptorsubstituierte monomere Modelle und Copolymere überführen ließen. Des Weiteren wurden die bromfunktionalisierten Squaraine mittels der Ni-unterstützten Yamamoto-Kupplung zu Homopolymeren und den entsprechenden Makrozyklen umgesetzt.
Das Absorptionsmaximum der Referenzverbindung M1 lag bei ~ 15500 cm–1. Das von M2 lag aufgrund der erhöhten Akzeptorstärke des zentralen Bausteins bei ~ 14300 cm–1. Die Extinktionskoeffizienten waren erwartungsgemäß squaraintypisch hoch mit Werten von ~ 300000 M–1 cm–1, bzw. 200000 M–1 cm–1. Es wurde gezeigt, dass die Einführung von funktionellen Gruppen (M3–M9), zusätzlichen Elektronendonoren (M10–M19) oder -akzeptoren (M20–M22) an der Peripherie zu einer Rotverschiebung des Absorptionsmaximums führte, wobei das Ausmaß der Verschiebung von der - und/oder -Donorstärke der Substituenten abhing.
Im Falle der di- und triarylaminsubstituierten Squaraine M10–M13 und der dibromierten Squaraine M5 und M7 wurde die elektronische Struktur der Mono- und Diradikal(di)kationen untersucht, wofür das Zusammenspiel von Cyclovoltammetrie, Spektroelektrochemie und DFT-Rechnungen notwendig war. Es wurde gezeigt, dass sämtliche Monoradikalkationen den Cyanincharakter beibehalten und vollständig delokalisierte Verbindungen der Robin-Day Klasse III sind, was auf das niedrige Redoxpotential der Squarainbrücke zurückzuführen war. Mit einem N-N-Abstand von 26 Bindungen zwischen den zusätzlichen Redoxzentren ist M13+∙ dadurch das nach bestem Wissen längste komplett delokalisierte Bis(triarylamin) Radikalkation. Die Situation der Diradikaldikationen war etwas komplexer. Die theoretischen Berechnungen ergaben für die diarylaminsubstituierten Squaraine einen energetisch günstigsten Zustand, welcher aus gleichen Anteilen eines offenschaligen Singulett- und Triplettzustandes bestand. Darüber hinaus beherrschten die HOMO–1→HOMO Übergänge die Absorptionsspektren der Diradikaldikationen, in welchen auch direkt der Einfluss der cis-/trans-Konfiguration ersichtlich war.
Basierend auf den Donor–Squarain Modellverbindungen (M10–M19) wurde eine Reihe von Donor–Squarain Copolymere (P7–P12) synthetisiert, um eine weitere Rotverschiebung des Absorptionsmaximums sowie eine Verbreiterung der Absorptionsbande zu erreichen. Die Auswirkungen waren allerdings sehr gering und sowohl die optischen als auch die elektrochemischen Eigenschaften unterschieden sich kaum von denen der Modellverbindungen. Als Ursache wurde zum einen der durch die Brücke vergrößerte Abstand der Squaraine zueinander ausgemacht, welcher eine Verminderung der Exzitonkopplungsenergie bewirkte. Zum anderen zeigten semiempirische Berechnungen, dass die Brücken etwas aus der Ebene der Squaraine verdrillt waren, was zu einer Verminderung der konjugativen Effekte zwischen den Squarainen führte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Konzept eine breite niederenergetische Absorption der Farbstoffe zu schaffen, indem man die Squaraineinheiten mit zusätzlichen Elektronendonoren verbrückt, für die präsentierten Systeme nicht funktioniert hat.
Das Anbringen der starken NDI Elektronenakzeptoren an einem Squarain führte zu M21 dem außergewöhnlichsten Modell in dieser Arbeit. Anstelle der allgemein bei Squarainen vorgefundenen scharfen niederenergetischen Absorptionsbande, zeigte M21 eine stark verbreiterte und solvensabhängige Bande. Spektroelektochemische Experimente und semiempirische Rechnungen konnten zeigen, dass es sich dabei um eine Überlagerung des klassischen squarainlokalisierten HOMO→LUMO Übergangs sowie eines partiellen Squarain→NDI “charge transfer” Übergangs handelte. Letzterer verschwand bei der Oxidation von M21 zum Monokation und dessen Absorptionsspektrum war nahezu ein Abbild dessen eines reinen Squarainmonokations. Sowohl das Modell M21 als auch das Polymer P13 zeigten niedrige Bandlücken von 1.05–1.20 eV, welche die niedrigsten aller Verbindungen in dieser Arbeit darstellten. Transiente Absorptionsmessungen zeigten außerdem für beide Farbstoffe die extrem schnelle Ausbildung eines ladungsgetrennten Zustandes binnen weniger ps. Auch die Rekombination in den Grundzustand erfolgte innerhalb weniger ps. Im Polymer wurde kaum ein weiterer Ladungs- oder Energietransfer während der Lebenszeit des angeregten Zustandes beobachtet, was darauf schließen ließ, dass der ladungsgetrennte Zustand auf benachbarten Squarain/NDI Einheiten lokalisiert war und nicht den Polymerstrang entlang wanderte.
Mittels der Ni-unterstützten Yamamoto-Kupplung wurden die Homopolymere P1–P5 synthetisiert. Diese zeigten eine stark rotverschobene und verbreiterte Absorption im roten bis nah-infraroten Bereich, im Gegensatz zu den Donor–Squarain Copolymeren, sowie eine scharfe Fluoreszenz. Diese Eigenschaften wurden hauptsächlich auf die Exzitonenkopplung von lokalisierten angeregten Zuständen und der Präsenz unterschiedlicher Strukturen der Polymere zurückgeführt. Eine lineare J-artige Struktur führte zu der intensivsten und zugleich niederenergetischsten Bande von P1 und P2, während eine zick-zack Struktur auch zu Absorptionen höherer Energie führte. Bei den Polymeren P3 und P4 wurden gleich mehrere Fraktionen unterschiedlicher Molmassenverteilung untersucht. Auch hier war eine gestreckte J-artige Struktur verantwortlich für die niederenergetischste Absorption, während eine helikale H-artige Struktur für die Absorptionen bei höherer Energie verantwortlich war. Der Anteil zu welchem diese unterschiedlichen Strukturen gebildet wurden zeigte sich abhängig von der Kettenlänge der Polymere als auch des Lösungsmittels. Absorptionsmessungen von Dünnfilmen zeigten, dass die ursprünglich in Lösung vorliegenden Strukturen zum Teil auch im Dünnfilm erhalten blieben, jedoch durch Tempern verändert werden konnten. Durch eine Kontrolle dieser Strukturbildung könnten auch die optischen Eigenschaften gezielt beeinflusst werden. Trotz der starken elektronischen Kopplung der Squaraineinheiten im angeregten Zustand zeigte sich außerdem, dass die Redoxpotentiale sich zu denen der monomeren Stammverbindungen kaum unterschieden und somit nur eine vernachlässigbare Interaktion im Grundzustand vorlag.
Des Weiteren wurde ein Squarain-Squarain Copolymer (P6) synthetisiert, welches aus alternierenden Einheiten der Stammverbindungen M1 und M2 bestand. Ähnlich wie bei den Homopolymeren waren eine starke Verbreiterung sowie eine Rotverschiebung der niederenergetischen Absorption zu beobachten. Darüber hinaus zeigte das Polymer eine markante Bande bei höherer Energie, welche mittels einer Erweiterung des Exzitonenmodells für Copolymere erklärt werden konnte. In Toluol zeigte sich die niederenergetischste Absorptionsbande außergewöhnlich intensiv und schmal, was auf sogenanntes „exchange narrowing“ zurückgeführt wurde. Dieses könnte aus einer sehr geordneten J-artigen Struktur, welche wohl nur in Toluol vorlag, resultiert haben. Transiente Absorptionsmessungen zeigten eine starke Abhängigkeit der Abklingkurven von der Pumpenergie, insbesondere zu frühen Zeiten. Dies wurde auf das Auftreten von Mehrfachanregung (begünstigt durch den hohen Extinktionskoeffizienten) eines Polymerstranges und darauf folgender Exziton-Exziton Auslöschung zurückgeführt. Die statische Exziton-Exziton Auslöschung war der ratenbestimmende Schritt des Abklingprozesses, da sehr große Exzitondiffusionskonstanten bestimmt wurden. Dies war im Gegensatz zu anderen konjugierten Polymeren, in deren Dünnfilm die Exzitondiffusion als ratenbestimmender Schritt bestimmt wurde.
Zusammengefasst lässt sich sagen, dass für Polymere welche ausschließlich aus Squaraineinheiten bestanden, die Exzitonenkopplung von Chromophoren mit starken Übergangsdipolmomenten eine vielversprechende Weise war, die optischen Eigenschaften zu verändern.
Als Nebenprodukt der Polykondensationsreaktionen wurden in niedrigen Ausbeuten mittels Recycling-GPC beispiellose zyklische konjugierte Oligosquaraine erhalten, wie zum Beispiel ein mit Triarylaminen verbrücktes Dimer (Dim1) sowie einige Homotrimere (Tri1–3) und ein Homotetramer (Tet1). Insbesondere die Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften der Trimere waren außergewöhnlich. Sie zeigten mehrere Fluoreszenzbanden im NIR Spektralbereich die einen Bereich von ~ 8000–12500 cm–1 (800–1250 nm) abdeckten. Ersten theoretischen Berechnungen zu Folge, waren die zyklischen Trimere nicht vollständig planar, sondern lagen als eine Mischung aus planaren und abgewinkelten Squaraineinheiten vor, welche für diese besonderen Eigenschaften verantwortlich waren. Nichtsdestotrotz fehlten noch endgültige Ergebnisse der Berechnungen um dies mit endgültiger Sicherheit zu sagen.
Im letzten Abschnitt wurde die Verwendung einiger Substanzen in optoelektronischen Bauteilen beschrieben. Die Homopolymere P1–P4 wurden in binären BHJ Solarzellen untersucht, welche allerdings nur eine geringe Effizienz zeigten, insbesondere aufgrund geringer Kurzschlussströme. Die Verwendung von P3 und P4 führte zwar zu höheren Leerlaufspannungen, bedingt durch die Dicyanomethylengruppe und das resultierende niedrigere HOMO Energielevel, allerdings blieben sowohl die Effizienz als auch die Kurzschlussströme niedrig. Weder für die unterschiedlichen Molmassenverteilungen der Polymerfraktionen, noch für die unterschiedlichen Alkylketten konnte ein Trend bezüglich der Leistung der Solarzellen bestimmt werden. In den ternären BHJ Solarzellen wurden kleine Mengen von entweder Monomer M14 oder den Polymeren P1A, P4–1 oder P13 zu einem P3HT/PCBM System beigemischt. Dadurch sollte ein zusätzlicher Weg für den Elektronen- oder Energietransport geschaffen und höhere Effizienzen erzielt werden. Jedoch führte keine der Verbindungen zu einer Verbesserung des Systems, sondern es wurden verringerte Kurzschlussströme beobachtet, welche auch zu geringerer Effizienz führten. Die niedrigen Kurzschlussströme deuteten an, dass die Morphologie der Squaraine der limitierende Faktor war. Es ist vorstellbar, dass die Dimethylgruppe am Heterozyklus der Squaraineinheit eine vorteilhafte Anordnung der Chromophore sterisch verhinderte, welche zu effizienterem Ladungs- oder Energietransport hätte führen können.
Das Monomer M6 wurde als Dotiersubstanz zu einem Polymer (SY-PPV) in einer OLED beigemischt und fungierte erfolgreich als NIR-Emitter. Schon bei geringen Mengen des Squarains wurde die Fluoreszenz des Polymers gelöscht und stattdessen Fluoreszenz aus dem Squarain beobachtet. Bei Elektrolumineszenzmessungen reichten geringere Mengen (0.5 Gew.-%) als bei Photolumineszenzmessungen, um die Fluoreszenz des Polymers vollständig zu löschen. Dies deutete darauf hin, dass abgesehen von FRET zusätzliche Quenchmechanismen, wie Ladungsträgerdynamiken, in den elektrisch betriebenen Bauteilen eine Rolle spielten.
KW  - Squaraine
KW  - Konjugierte Polymere
KW  - UV-VIS-Spektroskopie
KW  - Elektrochemie
KW  - Squaraine
KW  - Squaraines
KW  - Polymere
KW  - Polymers
KW  - Farbstoff
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101638
ER  -