LiBaLu

Lithium-Batterien mit Luft/Sauerstoffelektrode

Teilprojekt 1

Katalysatoren, Wirkungsweise, Mechanismen

Laufzeit: 01.01.2016 bis 31.12.2018

Fördersumme: 625.519,00 €

Projektvolumen: 625.519,00 €
 

ausführende Stelle:

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät - Chemie - Institut für Physikalische und Theoretische Chemie - Abt. Elektrochemie
Römerstr.  164
53117 Bonn

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0029A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Für eine zukünftige nachhaltige Energieversorgung und die Elektrotraktion müssen neuartige Hochenergiespeichersysteme entwickelt werden. Eine der zentralen Möglichkeiten sind wiederaufladbare Batterien. Theoretisch bieten Lithium-Luft-Batterien ein sonst mit Batterien nicht zu erreichende Energiedichte.

Die anfänglichen Hoffnungen auf schnell realisierbare Hochenergiebatterien nach diesem Prinzip haben sich trotz der intensiven Entwicklungsarbeiten bisher aber nicht erfüllt. Dies hängt ursächlich damit zusammen, dass im Kontakt mit Lithiummetall anstelle wässriger Elektrolyte ein organischer Elektrolyt verwendet werden muss, aber Grundlagenuntersuchungen zu elektrokatalytischen Reaktionen wie der Sauerstoffreduktion (ORR) bzw. -entwicklung (OER) in solchen organischen Elektrolyten in der Vergangenheit kaum durchgeführt wurden. Die einzelnen Reaktionsschritte und deren Beeinflussung durch Elektrodendesign, Katalysatorwahl und Elektrolyt sind im Detail bisher nicht verstanden. Bisher ungelöste Probleme sind u. a.:
• die schlechte Reversibilität der Sauerstoffreduktion,
• mögliche Nebenreaktionen des organischen Elektrolyten,
• Blockade der Elektrodenoberfläche oder Verstopfung der Poren durch Lithiumperoxid oder anderen in Nebenreaktionen gebildeten Feststoffen.

Diese Probleme führen auch zu einer verhältnismäßig schlechten Reproduzierbarkeit von Ergebnissen aus der Literatur. Publizierte Daten nicht nur zu Kapazitäten, Leistungsdichten und Zyklenstabilitäten scheinen stark vom individuellen experimentellen Aufbau abzuhängen, sondern auch Ergebnisse im Bereich der Grundlagenuntersuchungen.
Ziel des hier beschriebenen Teilvorhabens ist es, diese Probleme anzugehen und die zur Lösung notwendigen Grundlagen zu erarbeiten. Ein besseres Verständnis soll es dann den Partnern ermöglichen, Strategien für die Realisierung solcher Lithium-Luft-Batterien zu entwickeln.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Konkret sollen in diesem Teilprojekt die folgenden grundlegenden Untersuchungen im Hinblick auf Lithium-Luft/Sauerstoff-Batterien durchgeführt werden:

a) aprotischer Elektrolyt: Hier sollen insbesondere verbesserte, stabilere Elektrolytsysteme und Elektrodenmaterialien, die die OER und ORR nach Möglichkeit katalysieren (aber nicht die Elektrolytzersetzung) und die Keimbildung von Lithiumperoxid positiv beeinflussen, identifiziert und detailliert charakterisiert werden. Der Einsatz von Redoxmediatoren wird ebenfalls untersucht. Ziel ist, ein maßgeschneidertes Elektroden/Elektrolyt-Konzept für hohe Entladekapazitäten, schnelle Kinetik und gute Langzeitstabilität zu entwickeln.

b) wässriger Elektrolyt mit Trennung der Elektroden durch eine ionenleitende Festkörpermembran: Parallel wird an einem Zellkonzept gearbeitet, bei dem auf der positiven Seite ein alkalischer Elektrolyt verwendet wird und die Lithiumelektrode durch eine Membran geschützt wird. Durch Verwendung geeigneter bifunktioneller Katalysatoren, wie sie im Vorhaben „LuLi“ entwickelt wurden, lassen sich hohe Stromdichten sowohl für die Sauerstoffreduktion als auch für die Sauerstoffentwicklung realisieren.

c) Mischungen wässriger mit organischen Elektrolyten: Im Projekt wird erarbeitet, inwieweit die beiden oben genannten Konzepte kombiniert werden können. Entwickelt wird ein System, das an der Luftelektrode mit Mischungen aus wässrigen und organischen Elektrolyten arbeitet. Bei genügend niedrigem Wasseranteil sollte die Membran deutlich stabiler sein, andererseits sollte die Sauerstoffreduktion und -entwicklung ähnlich wie in wässrigen Systemen mit dem Vorteil der bekannten, schnelleren Katalyse und des 4-Elektronentransfers ablaufen. Hier ist der optimale Wassergehalt zu eruieren, und zwar unter Berücksichtigung der Membranstabilität einerseits und des Einflusses auf die Sauerstoffreduktion bzw. -entwicklung andererseits.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Im Erfolgsfall stünde langfristig ein neuer Typ von wiederaufladbarer Batterie sowohl für die Elektromobilität als auch für die dezentrale, stationäre Energiespeicherung zur Verfügung. Für eine sehr breite Nutzung elektrochemischer Energiespeicher ist dabei die Verfügbarkeit der eingesetzten Materialien wichtig: relativ teure Schwermetalle wie Cobalt werden allenfalls in geringen Mengen als Katalysator, nicht aber als Kathodenmaterial selbst benötigt.

Auch für andere Batterietypen wie Natrium-Luft- oder Lithium-Schwefel-Batterien sind die hier erarbeiteten Ergebnisse wichtig. Mittelfristig führen die in diesem Verbund erwarteten Erkenntnisse auch zu einer Verbesserung der Eigenschaften anderer Batterietypen, die sich im Prinzip schon in einem weiteren Entwicklungsstadium befinden wie Zink-Luft-Batterien. Aber auch Brennstoffzellen oder Sensoren könnten mittelfristig stark von den hier zu erwartenden Erkenntnissen profitieren mit der Folge erhöhter Marktchancen.

Kurzfristig können die Erkenntnisse etwa im Rahmen von kleinen Knopfzellen (z. B. Hörgerätebatterien) genutzt werden oder zur Verbesserung der Kathoden in der Chlor-Alkali-Elektrolyse. Erkenntnisse zur Stabilität aprotischer Elektrolyte würden auch vorteilhaft für die Erforschung von Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien sein.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2016 bis 31.12.2018
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 2.669.042,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1: Katalysatoren, Wirkungsweise, Mechanismen

Förderkennzeichen: 03XP0029A

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät - Chemie - Institut für Physikalische und Theoretische Chemie - Abt. Elektrochemie
53117 Bonn

Teilprojekt 2: Erforschung eines Zellenkonzepts und Integration der neuen Materialien

Förderkennzeichen: 03XP0029B

Varta Microbattery GmbH
73479 Ellwangen (Jagst)

Teilprojekt 3: Luftelektrode im alkalischen Elektrolyten

Förderkennzeichen: 03XP0029C

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. - Institut für Technische Thermodynamik
70569 Stuttgart

Teilprojekt 4: Erforschung einer Luftelektrode in organischem Elektrolyten

Förderkennzeichen: 03XP0029D

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg – Standort Ulm
89081 Ulm

Teilprojekt 5: Modellierung und Simulation

Förderkennzeichen: 03XP0029E

Hochschule Offenburg, Institut für Energiesystemtechnik
77652 Offenburg

Teilprojekt 6: Herstellung einer ionisch leitenden Membran zum Schutz der Lithium-Metall-Anode

Förderkennzeichen: 03XP0029F

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterien stellen den Batterietyp mit der wohl größten theoretischen Energiedichte dar und würden einen Aktionsradius auch von batteriegetriebenen Kraftfahrzeugen von 500 km erlauben. Auch für die dezentrale, stationäre Energiespeicherung wäre ein solcher Typus einer Hochenergiebatterie ideal. In diesen dient an der positiven Elektrode bei der Entladung nicht mehr eine Schwermetallverbindung (wie in Lithium-Ionen-Batterien) als Oxidationsmittel, sondern der viel leichtere Sauerstoff, der zudem aus der Luft entnommen wird.

Allerdings sind die Grundlagenkenntnisse im Bereich elektrochemischer Reaktionen in den für Lithium-Batterien notwendigen nichtwässrigen Elektrolyten trotz der hervorragenden Performance von Lithium-Ionen-Batterien noch mangelhaft. Insbesondere die Sauerstoffreduktion und die anschließend bei der Wiederaufladung erfolgende Sauerstoffentwicklung stellen eine große Herausforderung für die Elektrodenmaterialien und die Elektrolyte dar. Ziel dieses Vorhabens ist es, die Lücken bei den Grundlagenkenntnissen zu schließen und aufgrund eines besseren Verständnisses Strategien für die Realisierung von Lithium-Luft/Sauerstoff-Batterien zu entwickeln. Die Realisierbarkeit soll anhand einer Prototypzelle demonstriert werden.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Gearbeitet werden soll in diesem Verbund einerseits an einem Batterietyp mit organischem Elektrolyten. Es kann sich dabei als sinnvoll erweisen, die Lithiumelektrode durch eine lithiumionenleitende Membran vor Reaktionen mit von der Luftelektrode stammendem Sauerstoff zu schützen. Andererseits soll auch versucht werden, mit wässrigen, alkalischen Elektrolyten zu arbeiten. Dabei sind die erreichbaren Stromdichten wesentlich höher, aber auch die Anforderungen an die Stabilität der Membran sind größer.

Es soll weiter eruiert werden, ob sich die Vorteile beider Konzepte kombinieren lassen, indem ein organischer Elektrolyt verwendet wird (mit der Folge einer höheren Stabilität der Membran), der aber genügend Wasser enthält, um die Reaktion ähnlich schnell wie in wässrigem Elektrolyten ablaufen zu lassen. Wesentlich für den Erfolg des Projekts ist die Entwicklung verbesserter Elektrodenmaterialien (Katalysatoren) und Elektrolytsysteme sowie der Membran.

Die Expertise der Partner im Verbund ergänzen sich hervorragend, um die komplexen Aufgaben zu lösen: Das ZSW verfügt über eine breite Kompetenz im Bereich klassischer Lithium-Ionen-Systeme und wird Erfahrungen mit organischen Elektrolyten in das Konsortium einbringen. Die Universität Münster verfügt ebenfalls über eine enorme Kompetenz im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien und hat große Erfahrungen in der Herstellung der lithiumionenleitenden Membranen. Bei der DLR gibt es langjährige Erfahrungen in der Herstellung und Charakterisierung von Katalysatoren nach jeweils unterschiedlichen Verfahren und in der Präparation von Gasdiffusionselektroden. An der Universität Bonn stehen spezielle Methoden der Oberflächenanalytik und zur Charakterisierung von Reaktionsprodukten zur Verfügung. An der Hochschule Offenburg steht ein Experte für die Modellierung der Vorgänge in den Batteriezellen zur Verfügung. Varta Microbattery ist der Batteriehersteller im Consumerbereich und wird im Projekt die Demonstratorzelle realisieren.

Assoziierte Partner sind die Firma Bayer Material Science (ausgewiesen in der Herstellung großtechnischer Gasdiffusionselektroden), die entsprechende Zellkomponenten einbringen wird und die Firma Schott, die in allen Bereichen von Glaskeramiken ausgewiesen ist und die Materialien für die Membran zur Verfügung stellen wird. Die Partner haben auch in vorausgegangenen Verbundvorhaben schon erfolgreich zusammengearbeitet, die Zusammenführung der Kompetenzen und Erfahrungen stellt auch hier eine ideale Basis für den Erfolg dieses Vorhabens dar.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Im Erfolgsfall stünde langfristig ein neuer Typ von wiederaufladbarer Batterie sowohl für die Elektromobilität als auch für die dezentrale, stationäre Energiespeicherung zur Verfügung. Für eine sehr breite Nutzung elektrochemischer Energiespeicher ist dabei die Verfügbarkeit der eingesetzten Materialien wichtig: relativ teure Schwermetalle wie Cobalt werden allenfalls in geringen Mengen als Katalysator, nicht aber als Kathodenmaterial selbst benötigt.

Auch für andere Batterietypen wie Natrium-Luft- oder Lithium-Schwefel-Batterien sind die hier erarbeiteten Ergebnisse wichtig. Mittelfristig führen die in diesem Verbund erwarteten Erkenntnisse auch zu einer Verbesserung der Eigenschaften anderer Batterietypen, die sich im Prinzip schon in einem weiteren Entwicklungsstadium befinden wie Zink-Luft-Batterien. Aber auch Brennstoffzellen oder Sensoren könnten mittelfristig stark von den hier zu erwartenden Erkenntnissen profitieren mit der Folge erhöhter Marktchancen.

Kurzfristig können die Erkenntnisse etwa im Rahmen von kleinen Knopfzellen (z. B. Hörgerätebatterien) genutzt werden oder zur Verbesserung der Kathoden in der Chlor-Alkali-Elektrolyse. Erkenntnisse zur Stabilität aprotischer Elektrolyte würden auch vorteilhaft für die Erforschung von Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterien sein.


Galerie

REM-Aufnahme - Verbundprojekt LiBalu

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Luft

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Industrie

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Metall-Luft Lithium-Luft

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Helmut Baltruschat
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät - Chemie - Institut für Physikalische und Theoretische Chemie - Abt. Elektrochemie
Römerstr.  164
53117 Bonn
zum Internetauftritt

Telefon: +49 228 73-4162
Fax: +49 228 73-4540
E-Mail: baltruschat@uni-bonn.de


Verbundprojektleiter

Herr Prof. Dr. Helmut Baltruschat
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät - Chemie - Institut für Physikalische und Theoretische Chemie - Abt. Elektrochemie
Römerstr. 164
53117 Bonn
Telefon: +49 228 73-4162
Fax: +49 228 73-4540


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Prof. Dr. Helmut Baltruschat
Telefon: +49 228 73-4162
Fax: +49 228 73-4540
E-Mail: baltruschat@uni-bonn.de


Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Prof. Dr. Helmut Baltruschat
Römerstr. 164
53117 Bonn
Telefon: +49 228 73-4162
Fax: +49 228 73-4540
E-Mail: baltruschat@uni-bonn.de