Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Ziel des Forschungsverbunds ist die Herstellung einer Kompositelektrode aus unterschiedlichen Kohlenstoffmaterialien, welche den Erfordernissen einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie angepasst ist. Hierzu wird ein neuartiges Kohlenstoffmaterial mit definierter Porenstruktur eingesetzt, das durch den Herstellungsprozess mit einer hohen zugänglichen Oberfläche ausgestattet ist. Durch den signifikant reduzierten Anteil unzugänglicher Mikroporen kann eine kinetische Reaktionshemmung weitestgehend unterbunden werden. Aufgrund des speziellen Herstellverfahrens knüpfen diese Kohlenstoffe außerdem hervorragend an die Porenhierarchie der verwendeten Vliese an, sodass die aktive Oberfläche erhöht und damit ein höherer Volumenanteil der durchströmten 3D-Elektrode elektrochemisch angesprochen werden kann. Ziel sind eine erhöhte Aktivität bei verbesserter Stabilität der 3D-strukturierten Elektrode.

Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Das Verbundvorhaben besteht aus drei Teilen: 3D-Strukturierung, Modifizierung und Charakterisierung.

Mit der 3D-Strukturierung der kohlenstoffbasierten Elektrode soll eine bestimmte Porosität eingestellt und die technische Machbarkeit einer Zusammenführung der Prozessierungsschritte der beiden Industriepartner überprüft werden.

Durch eine Modifizierung der Kohlenstoff-Oberfläche soll die Aktivität der verwendeten Materialien positiv beeinflusst und gegebenenfalls ein größeres Potenzialfenster für den Einsatz in Redox-Flow-Zellen ermöglicht werden.

Durch detaillierte Charakterisierung (ex-situ, in-situ und ortsaufgelöst) soll der Einfluss der Elektrodenstruktur auf die spätere Leistung in der Redox-Flow-Batterie analysiert werden. Daraus werden Verbesserungsvorschläge erarbeitet, wie ein höherer Volumenanteil des Materials elektrochemisch angesprochen werden kann. Außerdem sollen Alterungsprozesse aufgeklärt werden.

Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die poröse Kohlenstoffstruktur, die hergestellt werden soll, stellt eine neue Materialklasse dar, die sowohl in Redox-Flow-Zellen als auch in anderen elektrochemischen Systemen zu einer Verbesserung von Leistungsdichte und Stabilität führen kann.

Die Forscher überprüfen, inwieweit die Prozesstechnik der beiden Industriepartner in einen gemeinsamen industriellen Herstellungsprozess überführt werden kann. Diese Kombination könnte helfen, die Kosten zu redizieren.

Es soll nicht nur ein grundlegendes Verständnis der elektrochemischen und Degradationsprozesse, sondern auch ein marktfähiges Produkt entwickelt werden. Dazu wird der Kohlenstoff aus verschiedene Arten modifiziert, um aktive Oberflächengruppen zu erzeugen und damit die Aktivität zu steigern. Die Langzeitstabilität der modifizierten Materialien wird in der elektrochemischen Anwendung getestet und charakterisiert. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der detaillierten Untersuchung der neu generierten Materialien, aber auch der gesamten Elektrodenstruktur mit fortschrittlichen (In-situ-)Methoden.

In enger Zusammenarbeit der vier Partner soll ein neuartiges kohlenstoffbasiertes 3D-Netzwerk über eine Templattechnik direkt in einem Kohlenstoff-Vlies erzeugt und damit die Lücke zwischen mikro- und makroporösen Kohlenstoffen geschlossen werden. Dazu wird zuerst ein kommerziell erhältliches, später ein für den Prozess adaptiertes Vlies mit dem definiert porösen Kohlenstoff imprägniert, wobei ein Schwerpunkt der Prozesstechnik darauf liegt, eine besonders robuste hierarchische Struktur zu erzeugen. Dadurch erscheint es möglich, einen Kompromiss zwischen einem hohen Anteil an elektrochemisch ansprechbarem Volumen bei gleichzeitig guter Durchströmbarkeit zu erzielen.

Quellen: https://forschung-sachsen-anhalt.de/project/verbundvorhaben-flow-redox-flow-zellen-15962 (jüngster Zugriff: 11.05.2016); http://forschung-energiespeicher.info/projektschau/gesamtliste/projekt-einzelansicht//3D_Elektroden_mit_laengerer_Lebensdauer/ (jüngster Zugriff: 11.05.2016)

Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Redox-Flow-Systeme

Anwendungsfelder

stationär

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, Industrie

Verbundprojektleiter

Frau Prof. Dr. Christina Roth
(KIT) Karlsruher Institut für Technologie / Freie Universität Berlin
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen

E-Mail: christina.roth@fu-berlin.de

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