Zukunftsweisende elektrochemische Energiespeicherung

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Querschnittsthemen

Um den Anspruch des HIU, Batterien für die Zukunft zu entwickeln, zu untermauern und die Forschung auf dieses Ziel auszurichten, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des HIU vier Querschnittsthemen - Metallabscheidung, Insertionsmaterialien und Elektrodenstruktur, lithiumbasierte Konversionsmaterialien und neue Batterien jenseits Lithium festgelegt. In jedem der vier Themen bündeln Mitglieder unterschiedlicher Forschungsgruppen auf diese Weise effizient ihre Kompetenzen. Vor allem die Interdisziplinarität der Forschung bringt das HIU dem Ziel, sicherere, kostengünstigere, nachhaltigere und leistungsfähigere Batterien zu entwickeln ein wesentliches Stück näher.

Metallabscheidung und Grenzschichten

Querschnittsthema Metallabscheidung

Batterien mit einer Elektrode aus Lithiummetall weisen eine besonders hohe Energiedichte auf und werden bereits kommerziell als sog. Knopfzellen verkauft. Im Gegensatz zu den Lithium-Ionen-Akkus in tragbarer Elektronik sind solche Batterien mit reiner Metallelektrode aber bisher nicht wiederaufladbar. Beim Aufladen müsste das Lithiummetall wieder aus dem Elektrolyten abgeschieden werden; dabei wächst es allerdings nicht wie gewünscht als flache Metallfolie, sondern nadelförmig oder dendritisch, d.h. in verzweigter, buschiger Struktur. Solche Lithiumdendriten können zu Kurzschlüssen und zum Überhitzen der Batterie führen und stellen deswegen ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Sie können auch in heute genutzten Lithium-Ionen-Akkus wachsen, wenn diese zu schnell oder bei tiefen Temperaturen geladen werden. Das HIU erforscht daher, nach welchen Mechanismen Lithiummetall auf den Elektroden abgeschieden wird und zudem wie die Abscheidung bei Lithium-Ionen-Akkus festgestellt und verhindert werden kann. Dazu wird einerseits mit Modellsystemen und mit Strukturberechnungen gearbeitet, andererseits werden auch kommerzielle Batterien getestet. Außerdem wird untersucht,  unter welchen Bedingungen Lithiumdendriten wachsen und wie diese nachgewiesen werden können. So sollen schließlich leistungsstärkere Batterien ermöglicht werden, die auch unter nicht idealen Bedingungen höchste Sicherheit garantieren.

Insertionsmaterialien & Elektrodenstruktur

Querschnittsthema Materialeinbringung & Elektrodenstruktur

Der mit Abstand wichtigste Batterietyp unter den wiederaufladbaren Hochleistungsbatterien sind Lithium-Ionen-Batterien. Darin wandern beim Be- und Entladen Lithium-Ionen zwischen den Elektroden hin und her. Verwendet werden sogenannte Insertionsmaterialien, die dabei Lithium-Ionen aufnehmen, diese dann eine Wirtsstruktur zwischenspeichern und wieder abgeben. Die Materialien sollen möglichst schnell möglichst viele Lithium-Ionen einlagern können und sich dabei vom Volumen her nur wenig verändern, da größere Veränderungen ihres Volumens oder ihrer Struktur die Batterielebensdauer verringern. Zu den Zielen der HIU-Forschungsaktivitäten gehört es, neue sowie verbesserte Materialien zu entwickeln, z.B. solche, die pro Gramm Material mehr Lithium speichern können. Dadurch könnte ein Akku bei gleichem Gewicht mehr Ladung speichern. Darüber hinaus soll durch Vergleich verschiedener Materialien und durch theoretische Arbeiten ein Verständnis dafür aufgebaut werden, was „gute Materialien“ ausmacht. Z.B. soll herausgefunden werden, welche Strukturen diese haben sollten, indem man beispielsweise ergründet, was die Lithiumaufnahme in den verschiedenen Materialien begrenzt. Dazu wird die Struktur der Materialien analytisch untersucht, z.B. mit modernen Röntgenbeugungsmethoden, und es wird verfolgt, wie sich Strukturen bei der Lithiumaufnahme und -abgabe verändern. Ziel ist es letztlich, mit wissensbasierten Suchstrategien Materialien und Strukturen zu finden, die optimale Stromspeicher ermöglichen.

Lithiumbasierte Konversionsmaterialien und Legierungen

Lithiumbasierte Konversionsmaterialien

In Lithium-Ionen-Batterien wird Lithium in einer festen Trägerstruktur gespeichert, was Einschränkungen hinsichtlich der gespeicherten Menge Lithium pro Masse und Volumen mit sich bringt. In neuartigen Konversionsmaterialien hingegen werden durch chemische Festkörperreaktionen komplett neue Phasen mit anderen Eigenschaften gebildet. Dadurch verspricht man sich eine deutliche Erhöhung der gespeicherten Energiemenge bei einer Verringerung des Batteriegewichts. Zurzeit konzentrieren sich die Forscher am HIU auf Lithium-Luft-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien und weitere innovative Konzepte, z.B. auf der Basis von Metallfluoriden.

In Lithium-Luft-Batterien verbindet sich Lithium mit Luftsauerstoff in der Kathode. Dies ermöglicht in der Theorie hohe Energiedichten. Der stabile Betrieb dieser Batterien wird durch ein Lösungsmittel sichergestellt. Die Wissenschaftlerinnen erforschen deshalb Lithium-Luft-Batterien auf Basis von wässrigen/nicht-wässrigen Lösungsmitteln und ionischen Flüssigkeiten. Dabei untersuchen sie komplexe Strukturen und Morphologien von flüssigen (Lösungsmitteln), gasförmigen (Sauerstoff) und festen (Lithium-Sauerstoff) -Verbindungen bzw.- Phasen.

In Lithium-Schwefel-Batterien wird Schwefel als Aktivmaterial verwendet, da dieser besonders kostengünstig und umweltfreundlich ist. Während der Entladung wird der Schwefel gelöst und in mehreren Teilreaktionen reduziert. Die Löslichkeit der Zwischenprodukte stellt eine große Herausforderung dar. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf der Nanostrukturierung des Elektrodenmaterials und der Optimierung der verwendeten Lösungsmittel um die Energiedichte und Lebensdauer weiter zu erhöhen.

Metallfluoride bieten höchste theoretische Spannungen und Speicherkapazitäten für Kathoden. Am HIU werden solche Systeme untersucht, mit einem Fokus auf Eisenfluoriden. Für deren praktischen Einsatz wurden neuartige, skalierbare Syntheseverfahren entwickelt, mit denen sich neue Kompositmaterialien mit sehr hohen Kapazitäten und guter Zyklenfestigkeit erzeugen lassen.

Neue Batterien jenseits Lithium

Neue Batteriechemien

Lithium-Ionen und Metallhydrid Batterien sind etablierte Systeme, welche als Energiespeicher in vielen der heutigen elektrisch betriebenen Anwendungen erfolgreich eingesetzt werden. Um zukünftige Geräte sicherer, kostengünstiger, nachhaltiger und leistungsfähiger zu machen, wird derzeit weltweit an Alternativen zu den heutigen Systemen geforscht. Dabei soll Lithium durch andere Elemente ersetzt werden, mit denen ebenfalls reversibel arbeitende Batterien möglich sind. Dazu müssen alle Komponenten der Batterie neu entwickelt und ein Verständnis der elektrochemischen Vorgänge erarbeitet werden.

Von den derzeit vier neuen Batterietypen, an denen international geforscht wird und die auf der Basis von Magnesium, Natrium, Chlorid oder Fluorid als Ladungsträger basieren, wurden zwei (Chlorid- und Fluorid-Ionen-Batterie) erstmals vom HIU vorgestellt. Für die Magnesiumbatterie hat das HIU den derzeit weltbesten Elektrolyten entwickelt, mit dem erstmals auch der Bau von Magnesium-Schwefelzellen möglich ist. Mit Ausnahme der Natrium-Ionen-Batterie besitzen alle diese Systeme das physikalische Potential, deutlich höhere Energiespeicherdichten als die bisherigen Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen. Das HIU nimmt auf diesen neuen Forschungsgebieten eine Vorreiterrolle ein.