MeLuBatt

Frischer Wind für Metall-Luftsauerstoff-Batterien – Was man von Lithium-Ionen-Batterien lernen kann

Teilprojekt 1

Innovative Zellchemie für Lithium- und Natrium-Sauerstoff-Batterien

Laufzeit: 01.07.2017 bis 30.06.2020

Fördersumme: 407.608,00 €

Projektvolumen: 407.608,00 €
 

ausführende Stelle:

Justus-Liebig-Universität Gießen, FB 08 - Biologie und Chemie - Chemie - Physikalisch-Chemisches Institut
Heinrich-Buff-Ring  17
35392 Gießen

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Justus-Liebig-Universität Gießen

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 511

Förderkennzeichen: 03XP0110A

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil: Technologie- und Innovationsförderung

Förderart: PDIR

Kurzbeschreibung des Teilprojektes

  • Validierung und Optimierung verschiedener Redoxmediatorkonzepte in Lithium-Luft- und Natrium-Luft-Batteriesystemen
  • Untersuchung der Singulett-Sauerstoffchemie in Lithium-Luft-Batterien, um den Elektrolyten und die Kathode gegenüber dieser aggressiven Sauerstoffspezies schützen zu können.
  • Untersuchung von Kathodeneigenschaften (Tortuosität, Porosität) und Transportkoeffizienten, um Parameter und Stoffeigenschaften zu bestimmen, welche in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern zur Modellierung und Simulation von Zellsystemen genutzt werden.
  • Koordination und Organisation der Projekttreffen, um den regelmäßigen Austausch und Diskussion von Forschungsergebnissen zwischen den Projektpartnern zu gewährleisten.


Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Für einen Umstieg von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energiequellen ist die Verfügbarkeit von Energiespeichern von essentieller Bedeutung. Eine der meistversprechenden Energiespeicher-Technologien ist das Metall-Luft-Batteriesystem, welches sich durch seine sehr hohe theoretische spezifische Energiedichten auszeichnet. Jedoch sind die praktisch realisierbaren Energiedichten deutlich niedriger, was auf eine stark limitierte Zyklenstabilität und eine geringe Kapazitätserhaltung zurückzuführen ist.

Dieses MeLuBatt-Teilprojekt wird die wichtigsten Herausforderungen auf der Ebene der Zellchemie angehen: Zum einen wird die Auswahl optimierter Redoxmediatoren zu einer Verringerung der Ladeüberspannung für Metall-Luft-Batterien führen und zum anderen wird die Sauerstoff-Redoxchemie im Elektrolyten und den Kathoden im Detail verstanden und optimiert werden. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern, sodass jeder Aspekt der Metall-Luft-Batterien neu beleuchtet und letztlich auch technologisch optimiert wird. Mit diesem Teilprojekt werden Degradationsprozesse gezielt verhindert und die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit derzeitiger Metall-Luft-Batteriesysteme deutlich erhöht.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Metall-Luft-Batterien gezielt zu verbessern, werden die wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet und bearbeitet, um so einen universellen Lösungsansatz bieten zu können.

Im Folgenden sind die für das hier beschriebene MeLuBatt-Teilprojekt wichtigsten Aufgabenbereiche herausgestellt:
• Die beim Laden von Metall-Luft-Batterien gewünschte Bildung von Sauerstoff aus Oxiden (bzw. Super- und Peroxiden) sollte bei möglichst geringen Ladeüberspannungen erfolgen, um konkurrierende Zersetzungsreaktionen zu minimieren und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Eine Möglichkeit, um dies zu erreichen, ist der Einsatz von sogenannten Redoxmediatoren. Die in der Wissenschaft diskutierten verschiedenen Redoxmediatorkonzepte werden hierfür zunächst eingehend validiert. Darauf basierend werden vielversprechende Redoxmediatoren auf die unterschiedlichen Ansprüche der anderen Batteriekomponenten hin optimiert und kanalisiert.
• Quantenchemische Überlegungen lassen erwarten, dass elektrochemisch entstehender Sauerstoff als elektronisch angeregter und sehr reaktiver Singulett-Sauerstoff entsteht oder entstehen kann. Hieraus leitet sich ab, diese Überlegungen durch gezielte Experimente zu verifizieren beziehungsweise einen direkten experimentellen Beweis für die Bildung von Singulett-Sauerstoff zu erbringen. Die Ausbildung von Singulett-Sauerstoff wird dann für die Ausarbeitung von wirksamen Schutzkonzepten einbezogen, um den Elektrolyten und die Kathode gegenüber dieser aggressiven Sauerstoffspezies schützen zu können.
• Die Bildung von Sauerstoff tritt im Falle von Lithium-Ionen-Batterien als schädliche Nebenreaktion an den Kathoden auf und muss vermieden oder zumindest gesteuert werden. Da die Mechanismen der Sauerstoffbildung auf molekularer Ebene vergleichbar sind (Oxidation von Gittersauerstoff zu molekularem Sauerstoff O2), existiert eine bisher übersehene Brücke zwischen Lithium-Ionen-Batterien und Metall-Luft-Batterien. Diese Synergie soll durch die gezielte Erforschung des Sauerstoffentwicklungsmechanismus genutzt werden, um sehr attraktive und anwendungsbezogene Schlüsse für Katalysatorkonzepte (im Falle der Metall-Luft-Batterien) einerseits und Schutzkonzepte (für Lithium-Ionen-Batterien) andererseits zu entwickeln.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Leistungsfähige und langlebige Metall-Luft-Batteriesysteme stellen eine ressourceneffiziente, alternative Energiespeicherungstechnologie dar und können daher dazu beitragen, die weltweit vereinbarten Klimaschutzziele zu erreichen.

Die Kombination der in diesem Teilprojekt erzielten Ergebnisse mit den Resultaten der anderen Projektpartner wird essentiell für die spätere Entwicklung von Materialien für Metall-Luft-Batterien sein. Insbesondere, da die fundamentalen Fragestellungen zu den derzeitigen Problemen der Metall-Luft-Batteriesysteme untersucht und verstanden werden sollen, ist es möglich grundlegende Verbesserungen und Konzepte zu erarbeiten, welche als Basis für neue Metall-Luft-Batteriesysteme dienen können.


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.07.2017 bis 30.06.2020
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 2.254.523,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 1: Innovative Zellchemie für Lithium- und Natrium-Sauerstoff-Batterien

Förderkennzeichen: 03XP0110A

Justus-Liebig-Universität Gießen, FB 08 - Biologie und Chemie - Chemie - Physikalisch-Chemisches Institut
35392 Gießen

Teilprojekt 2: Modell-gestützte elektrochemische Untersuchung, Bewertung und Optimierung von Metall-Luft- bzw. Metall-Sauerstoff-Batterien mit dem Schwerpunkt Lithium-Luft-Batterien

Förderkennzeichen: 03XP0110B

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Fakultät 4 - Maschinenbau - Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik
38106 Braunschweig

Teilprojekt 3: Geschützte Metallanoden für Metall-Luft-Batterien

Förderkennzeichen: 03XP0110C

MEET - Münster Electrochemical Energy Technology
48149 Münster

Teilprojekt 4:

Förderkennzeichen: 03XP0110D

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

Teilprojekt 5:

Förderkennzeichen: 03XP0110E

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

Teilprojekt 6:

Förderkennzeichen: 03XP0110F

Forschungszentrum Jülich GmbH - Institut für Energie- und Klimaforschung - Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
52425 Jülich

Teilprojekt 7:

Förderkennzeichen: 03XP0110G

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, Institutsteil Oldenburg
26129 Oldenburg

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

Die Verfügbarkeit von Energiespeichern ist ein essentieller Bestandteil für den Umstieg von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energiequellen. Derzeit konkurrieren sehr unterschiedliche, kommerziell und technologisch erfolgversprechende Technologieansätze, die sich je nach Speichertechnologie für automobile und/oder stationäre Anwendungen eignen.

Zu den attraktivsten Energiespeichertechnologien zählen insbesondere die bereits seit Jahren kommerzialisierten Lithium-Ionen-Batterien sowie die Systeme der „nächsten Generation“, die sogenannten Post-Lithium-Ionen Systeme. Bei letzteren haben sich vor allem Metall-Luft- und Metall-Schwefel-Batteriesysteme als aussichtsreiche Kandidaten herauskristallisiert. Diese zeichnen sich durch sehr hohe theoretische spezifische Energien beziehungsweise Energiedichten aus. Die praktisch realisierbaren Energiedichten auf Zellebene sind jedoch bei weitem noch nicht zufriedenstellend. Zudem weisen die Metall-Luft-Systeme eine derzeit stark limitierte Zyklenstabilität sowie eine geringen Kapazitätserhaltung auf.

Im Verbundprojekt MeLuBatt werden Elektrolyte, Anoden- und Kathoden-Materialien für Lithium-, Natrium-, Zink-, Magnesium- und Calcium-basierte Metall-Luft-Batterien systematisch untersucht, um Phänomene der Elektrolyt- und Elektrodendegradation in diesen zukunftsträchtigen Batteriesystemen gezielt zu verstehen und zu vermindern. Auch die bisher übersehene Querverbindung der Sauerstoff-Redoxchemie bei Metall-Luft-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien wird dabei im Detail untersucht werden: Durch ein erweitertes Verständnis der Sauerstoff-Redoxchemie in Metall-Luft-Batterien wird die Problematik der unerwünschten Sauerstoffentwicklung an Oxidkathoden in Lithium-Ionen-Batteriesysteme ebenfalls besser verstanden und wenn möglich gelöst werden.

Die zentralen Ziele des MeLuBatt-Verbundprojektes sind eine Erhöhung der Lebensdauer und der Leistungsfähigkeit relevanter Metall-Luft-Batterien. Dies wird im Detail durch das tiefere Verständnis der Dendritenbildung, der Erhöhung der Zyklenstabilität der Zellen durch den geschickten Einsatz von Redoxmediatoren, sowie dem Einsatz von effizienten und stabilen Gasdiffusionselektroden erreicht werden. Dabei werden die einzelnen Projektpartner jeweils in enger Zusammenarbeit verschiedene Teilaspekte der Metall-Luft-Batterien untersuchen und die bestmöglichen Lösungen für die einzelnen Problemstellungen erarbeiten. Darauf basierend werden komplette Metall-Luft-Batteriesysteme im Labormaßstab entwickelt, die hinsichtlich der realisierbaren Energie- und Leistungsdichte untersucht werden, um die meistversprechenden Metall-Luft-Batterien zu identifizieren und anschließend zu optimieren.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Um die verschiedenen Probleme von Metall-Luft-Batterien anzugehen, werden zwei Lösungsansätze in sechs Arbeitspaketen mit Hilfe von sieben Projektpartnern verfolgt: Einerseits sollen die Ursachen der Elektrolytzersetzung erforscht und behoben werden, während andererseits die Instabilität der bisher wenig beachteten Metallanode untersucht wird. Der Verbund nutzt dafür ein umfangreiches Methoden-Repertoire, welches sich aus den Bereichen der elektrochemischen Diagnose und der instrumentellen Analytik zusammensetzt.

• Im ersten Arbeitspaketes sollen vorhandene Metall-Luft-Batteriesysteme verbessert und neue, bisher wenig beachtete Konzepte grundsätzlich verstanden und weiterentwickelt werden. Vergleichende Messungen mit den verwendeten Kationen der Anodenmaterialen sollen dabei helfen, zunächst grundlegende Erkenntnisse zu sammeln.
• Im zweiten Arbeitspaket soll die Stabilität der eingesetzten Anoden gegenüber den verwendeten Elektrolyten gezielt verbessert werden, indem unterschiedliche Modifizierungen der Anodenoberfläche untersucht werden. Diese Anodenmodifizierung ist stark mit dem Ziel verknüpft praxisnahe Elektrolyt-Systeme zu identifizieren und bekannte Probleme wie Korrosion oder Dentridenbildung zu unterbinden.
• Das dritte Arbeitspaket beschäftigt sich mit der Entwicklung von stabilen Kathodenmaterialien und der gezielten Anpassung an den verwendeten Elektrolyten. Hierbei werden das Kohlenstoffsubstrat, die Benetzungseigenschaften des Elektrolyten in Abhängigkeit der Porosität der verwendeten Kathoden sowie der Kontakt zur Umgebung für die verschiedenen Metall-Luft-Batteriesysteme analysiert.
• Im vierten Arbeitspaket sollen neuartige Elektrolyte entwickelt werden und diese in enger Verknüpfung mit den Arbeitspaketen eins bis drei getestet werden.
• Im fünften Arbeitspaket soll eine unterstützende modellbasierte Analyse und Zell-Diagnostik für alle gewählten Metall-Luft-Batteriesysteme durchgeführt werden. Hierbei wird eine Kombination von modellbasierter und dynamischer elektrochemischer Analyse für Elektroden und Vollzellen eingesetzt.
• Im sechsten Arbeitspaket werden gemeinsame Limitierungen für den Betrieb von Metall-Luft-Batterien herausgearbeitet und für zukünftige praktische Anwendungen bewertet. Im Detail findet in diesem Arbeitspaket eine stetige vergleichende Betrachtung der sehr verschiedenen in MeLuBatt untersuchten Metall-Luft-Batteriesysteme statt. Dieses zusammenfassende Arbeitspaket stellt somit die zentralen Vor- und Nachteile der derzeit vielversprechenden Metall-Luft-Batterietechnologien zur elektrochemischen Energiespeicherung bezüglich theoretischen und praktischen Energieinhalten (volumetrisch, gravimetrisch), Skalierbarkeit, benötigter Ressourcen, Lebensdauer, Praxistauglichkeit und Leistungsfähigkeit zusammen.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die im Verbundprojekt MeLuBatt erzielten wissenschaftlichen und technologischen Ergebnisse werden die weitere Entwicklung von Metall-Luft-Batterien maßgeblich beeinflussen. Sollte der Brückenschlag zwischen explorativer und praktisch realisierbarer Technologie gelingen, stellen die im Projekt untersuchten Metall-Luft-Batteriesysteme eine nachhaltige und ressourceneffiziente Technologie dar. Der Einsatz solcher Batteriesysteme als Energiespeicher würde maßgeblich dazu beitragen, die gesetzten Klimaschutzziele zu erreichen.

Die Arbeitshypothese, dass es eine bisher wenig beachtete Brücke zwischen der Sauerstoff-Redoxchemie in Metall-Luft-Batterien und der ungewollten Freisetzung von Sauerstoff in oxidischen Kathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien gibt, kann zu unerwarteten Ergebnissen führen, die wissenschaftliche und technologische Vorsprünge zur Folge haben können.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Luft

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung

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


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Metall-Luft Lithium-Luft

Metall-Luft Natrium-Luft

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Anode

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Elektrolyt flüssig

Zelle Elektrolyt Additive Redoxmediatoren

Forschungsbereiche

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Stabilität

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Gasbildung

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Mechanismus Singulett-Sauerstoff-Chemie

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Mechanismus Degradation

Analytik und Charakterisierung untersuchte Eigenschaft Struktur

Anwendungsfelder

noch nicht vorhersehbar

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Jürgen Janek
Justus-Liebig-Universität Gießen
FB 08 - Biologie und Chemie - Chemie - Physikalisch-Chemisches Institut
Heinrich-Buff-Ring  17
35392 Gießen
zum Internetauftritt

Telefon: +49 641-9934501
E-Mail: Juergen.Janek@phys.Chemie.uni-giessen.de


Alternativer Kontakt

Herr Dr. Daniel Schröder
stellvertretender Teilprojektleiter

Telefon: +49 641 99345-15
Fax: + 49 641 99345-09
E-Mail: daniel.schroeder@phys.chemie.uni-giessen.de


Verbundprojektleiter

Herr Prof. Dr. Jürgen Janek
Justus-Liebig-Universität Gießen
Physikalisch-Chemisches Institut
Heinrich-Buff-Ring 17
35392 Gießen
Telefon: +49 641 9934501


Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Dr. Daniel Schröder
Telefon: +49 641 99345-15
Fax: + 49 641 99345-09
E-Mail: daniel.schroeder@phys.chemie.uni-giessen.de


Pressekontakt für Verbundprojekt

Herr Dr. Daniel Schröder
Telefon: +49 641 99345-15
Fax: +49 641 99345-09
E-Mail: daniel.schroeder@phys.chemie.uni-giessen.de

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