Kurzbeschreibung des Teilprojektes

• Mechanistische Untersuchungen zur Sauerstoffreduktion und -entwicklung in organischen Elektrolyten bei Anwesenheit von Mg-Ionen
• Untersuchungen an (oxidischen) Kathoden-Modellelektroden

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.06.2013 bis 30.11.2016
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 3.073.804,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Im vorliegenden Forschungsvorhaben sollen Möglichkeiten eruiert werden, wie sich wiederaufladbare Magnesium-(Mg-)Luft-Batterien realisieren lassen könnten. Dabei sind sowohl die Mg-Anode, die Luft-Kathode sowie die Erprobung geeigneter Elektrolyte Gegenstand der Untersuchungen. Eine solche Mg-Luft-Batterie ist ein völlig neuer elektrochemischer Energiespeicher mit hoher Energiedichte, der sehr gut für den Einsatz in zukünftigen Energieversorgungssystemen geeignet sein sollte.

Im Vergleich zur Lithium-(Li-)Metall-Elektrode hat die Mg-Metall-Elektrode zwar eine geringere theoretische Ladung bzw. spezifische Kapazität (Mg: 2205 Ah/kg, verglichen mit Li: 3861 Ah/kg), wegen der höheren Dichte (Mg: 1,74 g/ccm, verglichen mit Li: 0,53 g/ccm) ist aber die theoretische Ladungsdichte bzw. Volumenkapazität höher (Mg: 3837 Ah/L, verglichen mit Li: 2046 Ah/L).

Auf der Ebene einer Zelle, in Kombination mit einer Luft-Elektrode und unter Berücksichtigung der Masse von Mg und Luft-Sauerstoff berechnet sich eine theoretische spezifische Energie („gravimetrische Energiedichte“) von 2789 Wh/kg (gegenüber 5200 Wh/kg für die Li-Luft-Zelle). Dieser Wert ist viermal höher als der heutiger Li-Ionen-Batterien (theoretisch ca. 600 Wh/kg, bezogen auf die aktive Masse).

Ganz wesentliche Gründe, intensiv an der Erforschung von Mg-Luft-Batterien zu arbeiten, sind die bessere Verfügbarkeit und die deutlich geringeren Rohstoffkosten von Mg verglichen mit Li, was insbesondere für große (stationäre) Batterien für Energieversorgungssysteme von Vorteil ist. Unter Umweltaspekten ist Mg völlig unproblematisch.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Das Mg-Luft-System zeichnet sich durch hohe Komplexität und viele bis heute ungelöste Probleme bzw. mangelndes Wissen darüber aus. Deshalb müssen in einem ersten Schritt erst geeignete Konzepte für die Anode und Kathode erarbeitet werden. Dafür ist ein vertieftes Verständnis der Vorgänge an Anode und Kathode unabdingbar. Dieses Verständnis soll durch die Kombination von grundlegenden und angewandten experimentellen Untersuchungen und mathematischer und numerischer Simulation und Modellierung auf atomarer und molekularer Ebene sowie mesoskopischer und makroskopischer Skala erzielt werden. In einem zweiten Schritt soll dann versucht werden, die beiden Elektroden zu verbinden und eine gemeinsame Zelle im Labor-Modellmaßstab zu realisieren.

Für den Aufbau solcher Zellen werden die folgenden Ziele verfolgt:
• Entwicklung von Elektrolyten für Mg-Batterien, die eine homogene (dendritenfreie) Mg-Abscheidung ermöglichen, niedrige Überspannung für die Mg-Abscheidung bzw. -Auflösung aufweisen und mit der Luft-Elektrode kompatibel sind.
• Verständnis der Grenzflächeneigenschaften der Anode und Kenntnis der Deckschichten, wie die eventuelle Ausbildung einer Mg-permeablen SEI (solid electrolyte interphase). Ein Verständnis der Bildungsmechanismen ist nötig, um die Eigenschaften gezielt verbessern zu können.
• Entwicklung und Untersuchung von reversibel arbeitenden Sauerstoffelektroden, die kompatibel mit den speziellen Elektrolyten der Mg-Batterien sind.
• Verständnis und Lösung der strukturellen Probleme, die sich durch die vermutete Ablagerung der nicht-löslichen Mg-Peroxide in der Sauerstoff-Elektrode ergeben. Design von Gasdiffusions-elektroden mit optimierter Vier-Phasengrenzfläche.
• Mathematische und numerische Modellierung zur Entwicklung des Verständnisses der Inter-aktionen zwischen Stofftransport und Reaktionen in der Zelle.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Primäres Ziel des Projekts ist es zu evaluieren, ob die Mg-Luft-Batterie wissenschaftlich und technisch realisierbar ist, und insbesondere aufzuklären, was auf mechanistischer Ebene an der Luft-Elektrode abläuft. Im Gegensatz zu Li-Luft-Batterien gibt es für Mg-Luft-Batterien bisher kaum fundiertes Vorwissen. Im Projekt soll deshalb ein grundlegendes Verständnis für das System erarbeitet werden, das die Basis für künftige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten darstellt.

Im Erfolgsfall könnten Mg-Luft-Batterien eine kostengünstige Lösung für große stationäre Energiespeicher darstellen. Diese bilden einen wichtigen Baustein in künftigen Energieversorgungssystemen, die überwiegend auf erneuerbaren Energien basieren.

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

Teilprojektleiter

Herr Prof. Dr. Rolf Jürgen Behm
Universität Ulm
Fakultät für Naturwissenschaften - Institut für Oberflächenchemie und Katalyse
Albert-Einstein-Allee  47
89081 Ulm
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Telefon: +49 731 50-25450
Fax: +49 731 50-25452
E-Mail: juergen.behm@uni-ulm.de

Verbundprojektleiter

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

Pressekontakt für Teilprojekt

Herr Prof. Dr. Rolf Jürgen Behm
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