Batterien

Festkörperbatterien mit keramischen Ionenleitern als Elektrolyt versprechen sehr hohe Leistungsdichten. Dieses können einerseits Lithiumionenleiter sein, anderseits können auch Sauerstoffionenleiter in einer sogenannten Metall/Metalloxid Batterie eingesetzt werden.

Für die Li-ionenleiter gilt es neuen Feststoffelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit zu entwickeln. Die Aufgabe der Elektrochemie ist dabei, für diese neuen Elektrolyte die dementsprechenden Elektroden für die Oxidations- und Reduktionsprozesse beim Laden und Entladen der Batterie zu erforschen und charakterisieren.
Die Materialien in einer Metall/Metalloxide-Batterie sind sehr ähnlich an denen der Festoxidbrennstoffzelle. Aufgabe hier ist die Gestaltung der Elektrolyt/Elektrode-Grenzfläche um die an den Grenzflächen im Wechsel ablaufenden Oxidations- und Reduktionsreaktionen beim Laden und Entladen dauerhaft reversibel ablaufen zu lassen.

Metall -Luft Batterien

Die Verbesserung der Energiedichte von Energiespeichersystemen durch die Optimierung des Lithium-Speicher-Materials ist zur Anwendung in realen Systemen an seine Grenzen gestoßen. Eine weitere Erhöhung der Energiedichte von Lithium-Batteriesystemen kann der Einsatz von Lithium/Luft- Zellen bringen.

Abbildung: Schematische Darstellung einer Lithium-Luft Zelle mit Li-Metall als Anode und MnO₂ auf Kohlenstofffasern als poröser Kathode.

Um die Kosten für die Speicherung der elektrischen Energie zu minimieren und dennoch hohe Energiedichten zu erzielen sind Primärzellen mit einer Luftkathode im Einsatz (Zn‑O₂ ‑Hörgerätebatterien). Die Reversibilität dieser Batteriesysteme ist derzeit wenig erforscht.

Die Entwicklung von Luftkathoden zum Einsatz in verschiedenen Metall/Luft-Batterien (Fe, Si, Al, Mg, Li) ist eines der Ziele der aktuellen Forschungsaktivitäten des IET-1.

Für die Erzeugung von hochporösen Kohlenstoffmembranen als Luftkathode werden Methoden wie die Herstellung von Aerogelen und das Verfahren des Elektrospinnens eingesetzt.

Um dieses Ziel zu erreichen ist ein detailliertes Verständnis der Desaktivierungsprozesse dieser Batterien notwendig, hierzu werden neuartige Methoden der in-operando Spektroskopie am IET-1 eingesetzt. Die Entwicklung dieser Methoden auf MAS-NMR, EPR- und Raman-Basis ist ein zusätzliches Standbein des Instituts.

Die neuen Forschungen aus dem Bereich der Silizium-Sauerstoff-Batterie zeigen, dass eine Reversibilität für verschiedenste Metall-Luft-Zellen erreichbar ist.

• P. Jakes, G. Cohn, Y. Ein-Eli, F. Scheiba, H. Ehrenberg, R.-A. Eichel: “Limitation of Discharge Capacity and Mechanisms of Air-Electrode Deactivation in Silicon–Air Batteries“, Chem. Sus. Chem. 5 (2012) 2278-2285

• G. Cohn, R.-A. Eichel, Y. Ein-Eli: “New insight into the discharge mechanism of silicon–air batteries using electrochemical impedance spectroscopy”, Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (2013) 3256-3263