Die Lithium-Ionen-Batterie ist heute das System der Wahl für Consumer-Anwendungen, im Elektrofahrzeug und im stationären Bereich. Durch kontinuierliche Verbesserungen des Elektrodenmaterials und Zelldesigns konnten die Energiedichte und Leistung in den letzten zwanzig Jahren enorm gesteigert werden. Weitere Verbesserungen sind zwar möglich, dennoch lässt die Lithium-Ionen-Technologie keine unbegrenzten Steigerungen zu. Deshalb muss auch über neue Batteriesysteme nachgedacht werden.
Am ZSW werden verschiedenste alternative Ansätze zur elektrochemischen Energiespeicherung verfolgt. Die Motivation dahinter sind Faktoren wie eine weitere Erhöhung der Energiedichte und Leistung, das Hoch- und Tieftemperaturverhalten, die Systemgröße und Sicherheit, aber auch Fragen nach der Verfügbarkeit und Kosten der Materialien.
Im Fokus unserer Arbeit stehen Metall-Luft-Zellen, Superkondensatoren und Hybrid-Superkondensatoren, Redox-Flow-Batterien, und viele mehr. Bei der Entwicklung können wir auf über zwanzig Jahre interdisziplinäre Erfahrung im Bereich Batterien und Brennstoffzellen aufbauen.
Reversible Luftelektroden bieten eine besondere Herausforderung an die beteiligten Katalysatoren, Additive und Elektrodenstrukturen.
Das ZSW beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der Herstellung und Charakterisierung bifunktioneller Sauerstoffelektroden in wässrig-alkalischen Elektrolyten. Hierbei sind sowohl Trockenpräparationsverfahren als auch Verfahren über Pasten etabliert. Neben Elektroden für wässrige Systeme werden auch Elektroden für nicht-wässrige Metall-Sauerstoff-Zellen (z.B. Lithium oder Magnesium) entwickelt.
Hochoberflächige Metalloxide auf Basis von Kobalt, Nickel bzw. Mangan haben sich als bifunktionelle Katalysatoren in Metall-Luft-Akkumulatoren bewährt. Das ZSW verfügt über geeignete Systheseverfahren wie eine Hochtemperatur- und über eine Sol-Gel Route.
Metall-Sauerstoffakkumulatoren weisen sehr hohe Werte für die spezifische Energie und Energiedichte auf, da Sauerstoff als Aktivmaterial der positiven Elektrode prinzipiell aus der Umgebungsluft gewonnen werden kann. Besondere Herausforderungen bieten jedoch die Kinetik der Sauerstoffelektrode sowie die Zyklenfestigkeit der jeweiligen Metallelektrode. Am ZSW werden sowohl Metall-Luft-Systeme mit wässrigem Elektrolyt als auch mit nicht-wässrigem Elektrolyt bearbeitet.
Zink-Luft-Systeme mit wässrigem Elektrolyten sind sehr bekannt als Primärsysteme, zum Beispiel für Hörgeräte. Auch wiederaufladbare Systeme werden seit vielen Jahren erforscht. Sie konnten sich aber aufgrund der hohen Spannungsdifferenz zwischen Laden und Entladen sowie der vergleichsweise geringen Zyklenfestigkeit am Markt noch nicht durchsetzen.
Aktuelle Forschungsarbeiten am ZSW befassen sich daher mit der Erhöhung der Zyklenfestigkeit der Zinkelektrode durch mikostrukturelle Anpassung und Verbesserung der Elektrolytzusammensetzung. Ferner werden neue Konzepte für zyklenfeste Sauerstoffelektroden untersucht.
Metall-Sauerstoff-Systeme mit nicht-wässrigem Elektrolyten erlauben bei Verwendung von Lithium oder Magnesium als Aktivmaterialien höhere Zellspannungen als wässrige Systeme. Sie sind jedoch noch in einem sehr frühen Forschungszustand.
Am ZSW wurden neue Aktivmaterialien und Elektrolyten für zyklenfeste Sauerstoffelektroden gefunden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass aktuell beobachtete Begrenzung der Zyklenfestigkeit einer Lithium-Sauerstoffzelle durch die bislang eingesetzte Lithium Metall-Elektrode verursacht wird.
Fokus aktueller Arbeiten liegt im tiefergehenden Verständnis der relevanten Prozesse in Lithium- und Magnesium- Sauerstoffsystemen mit dem Ziel einer weiteren Steigerung der Reaktionskinetik an der Sauerstoffelektrode sowie der Zyklenfestigkeit der Metallelektroden durch geeignete Material der Elektrolyten sowie der Aktivmaterialien.
Lithium-Sauerstoff-Batterien (Li-O2-Systeme) sind eine neue Art aufladbarer Batterien mit einer theoretischen spezifischen Energie von maximal 11 700 Wh/kg-1. Dies ist insbesondere interessant, weil dieser Wert annähernd den Werten für flüssige Kraftstoffe entspricht. Damit sind wiederaufladbare Li-O2-Batterien Topkandidaten für den Antrieb zukünftiger Generationen von Elektrofahrzeugen.
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind darauf ausgerichtet, die grundlegenden Fragen des Li-O2-Systems zu verstehen. Eine der größten Herausforderungen ist die Wahl eines geeigneten Elektrolyten, der ein mehrfaches Zyklisieren der Li-O2-Batterie erlaubt.
Kontakt:
Dr. Mario Marinaro
Telefon: +49 731 95 30 406
E-Mail: mario.marinaro@zsw-bw.de
Powercaps, als asymmetrische Doppelschichtkondensatoren, schließen die Lücke zwischen Batterien und symmetrischen Doppelschichtkondensatoren („Superkondensatoren, Supercaps“). Dadurch sind hohe Leistungsdichten bis 5 kW kg-1 bei hohen Energiedichten im Bereich von 20 bis 100 Wh kg-1 erreichbar. Während die Leistungsdichten der Powercaps mit denen von Doppelschichtkondensatoren vergleichbar sind, liegen ihre Energiedichten deutlich über denen von Superkondensatoren.
Möglich wird diese erstaunliche Leistungsfähigkeit durch die Kombination von schnellen Redoxreaktionen, wie sie beispielsweise aus der Kathode von Nickelmetallhydrid (NiMH) Zellen bekannt sind, mit den ebenfalls schnellen Adsorptionsvorgängen auf aktivierten Kohlenstoffen. Ergänzt wird die Zelle durch einen wässrigen Elektrolyten mit sehr hohen Leitfähigkeiten, der ebenfalls das Brandrisiko wesentlich erniedrigt. Aufgrund des höheren Sicherheitsniveaus der Powercaps sinkt der Aufwand für eine externe elektronische Überwachung deutlich.
Neben der Untersuchung industrieller Elektroden als Benchmark werden neuartige positive und negative Aktivmaterialien für Powercaps entwickelt. Ein besonderes Augenmerk liegt auf einer hohen Leistungsfähigkeit der neu hergestellten Materialien. Um die Leistungsfähigkeit der Powercaps weiter zu steigern, werden bipolare Zellen mit sehr niedrigem Innenwiderstand entwickelt. In bipolaren Zellen entfällt die Notwendigkeit von externen Zellverbindungen, da eine interne Reihenschaltung mit hoher Austauschfläche vorliegt. Im Rahmen von Forschungsarbeiten werden Prototypen für 12V-, 24V- und 48V-Spannungsniveaus entwickelt.
Kosten und Verfügbarkeit von Rohmaterialien sind wichtige Triebfedern in der Entwicklung neuer Speichermaterialien. Hierauf geht auch das stark anwachsende Interesse an der Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien zurück. Natrium-Ionen-Batterien arbeiten nach demselben Prinzip wie Lithium-Ionen-Batterien, aber mit dem Unterschied, dass der Ladungstransport im Zellinneren von Natrium-Ionen anstelle von Lithium-Ionen übernommen wird.
Während die Lithiumvorkommen in geopolitisch instabilen Regionen der Erde gefördert werden und einen signifikanten Anteil der Materialkosten darstellen liegt Natrium ubiquitär und in nahezu unbegrenzter Menge vor. Ein weiterer Aspekt für Natrium ist, dass es im Gegensatz zu Lithium, nicht mit Aluminium legiert. Dadurch kann das kritische Kupfer durch Aluminium ersetzt werden. Dadurch sind auch auf Zellebene signifikante Kosteneinsparungen sowie die Verringerung des Zellgewichts zu erwarten.
Das ZSW arbeitet zurzeit bereits in ersten Projekten an der Entwicklung von Kathodenmaterialien für Natrium-Ionen Batterien.
Kontakt:
Dr. Peter Axmann
Telefon: +49 731 95 30 404
E-Mail: peter.axmann@zsw-bw.de
Redox-Flow-Batterien sind eine kostengünstige Option zum Ausgleich des Stromangebots aus erneuerbaren Energien und der Stromnachfrage. Das ZSW beschäftigt sich seit vielen Jahren mit Zelltechnik und Betriebsweise von Redox-Flow-Akkumulatoren.
Unsere Schwerpunkte hierbei sind sowohl Zell- und Batteriedesign als auch die Bewertung neuer Redoxsysteme. Besonders interessant ist hierbei die Kombination reversibler Waserstoffelektroden mit Redoxelektroden in flüssiger Phase, die besondere Herausforderungen hinsichtlich der Elektrodengestaltung und der Reaktandenverteilung bieten.