Grundlagen der Elektrochemie (IET-1)

Festkörperbatterien sind die aktuell aussichtsreichste Speichertechnologie der nächsten Generation für zukünftige Anwendungen im Bereich stationäre Speicher und Elektromobilität. Um die Technologie weiter Richtung Marktreife zu führen, zielt das Projekt CatSE2 auf das Verständnis grundlegender Prozesse an den Grenzflächen von keramischen Oxid- und Polymerelektrolyten mit Kathodenaktivmaterialien in Festkörperbatterien ab. Zu den Hauptzielen des Projekts gehören (i) das Verständnis der Transport- und Übertragungsprozesse über interne keramische Grenzflächen (Korngrenzen), um Transportbeschränkungen in Oxidelektrolyten zu bestimmen und zu mildern; (ii) das Verständnis der Struktur und der Elektrodenkinetik von planaren Kathoden/Festelektrolyt-Grenzflächen und ihrer Entwicklung während der Herstellung und des Betriebs, und (iii) die Modifizierung und das Engineering von Kathoden/Festelektrolyt-Grenzflächen, um die Impedanz zu verringern und die Stabilität während des Betriebs zu erhöhen. Die Untersuchung der Auswirkungen von Sinterbedingungen, die bei der tatsächlichen Zellherstellung verwendet werden, und die Untersuchungen an Vollzellen werden das Projekt näher an die relevanten Schnittstellen in funktionierenden Zellen heranführen und so die Entwicklung von Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte bei praktikablen Lade-/Entladeraten ohne Degradation ermöglichen.

Teilvorhaben: Modul- und Zelltests, Analytik und Modellierung zum Degradationsverhalten Ziel der Nationalen Wasserstoffstrategie ist der Aufbau einer Elektrolyse-Kapazität von möglichst 5 Gigawatt bis 2030 allein in Deutschland zur Herstellung von Grünem Wasserstoff. Zur Realisierung dieser Ziele werden effiziente, langlebige, robuste, günstige und skalierbare Elektrolyseure benötigt. Der Transfer von Wasserelektrolyse-Technologien und die Etablierung im industriellen Umfeld ist neben der Kostenreduktion über die Einführung einer Serienproduktion für diese Anlagen das zweite zentrale Element, der im Programm genannten Voraussetzungen für die Schaffung der Grundlagen für eine wirtschaftliche, robuste und nachhaltige Erzeugung von grünem Wasserstoff. Zielsetzung Voraussetzung für eine nachhaltige Etablierung von PEM-Elektrolyseuren in der Energieproduktion ist unter anderem ein grundlegendes Verständnis der Degradations-, Fehler- und Schnittstellenmechanismen auf allen technischen und ökonomischen Ebenen. Im Sinne der nationalen Wasserstoffstrategie und dem Leitprojekt H2Giga soll mit dem Projekt DERIEL ein schneller Markthochlauf von PEM-Elektrolyseuren erreicht werden. Das Projekt DERIEL hat das Ziel, das Betriebs- und Degradationsverhalten von PEM-Elektrolyseuren im industriellen Umfeld zu untersuchen. Durch Entwicklung von Strategien zur Prozessführung soll zudem die Leistung unter gleichzeitiger Minimierung von Degradationsphänomenen optimiert werden. Auf diese Weise wird ein Beitrag zum De-risking und für einen Transfer dieser Technologie in das industrielle Umfeld geleistet. Die Aufgabe des IET-1 in diesem Verbundprojekt ist das Betriebs- und Degradationsverhalten von PEM-Elektrolyseuren zu untersuchen, Strategien für eine Prozessführung zur Optimierung der Performance und zur Minimierung der Degradationseffekte zu entwickeln und auf diese Weise einen Beitrag zum De-risking für einen Transfer dieser Technologie in das industrielle Umfeld zu leisten. Proben aus PEM-Modulen, welche unter industriellen Bedingungen betrieben wurden, werden in post-Mortem-Analysen untersucht. Dabei werden unterschiedlichste mikroskopische (SEM, TEM, AFM, etc.) und spektroskopische Methoden (NMR, EPR, Raman, etc.) eingesetzt, um eine umfassende Analyse der relevanten Veränderungen sicherzustellen. Zusätzlich werden einzelne Degradationsphänomene in Labor- und in-operando-Versuchen näher betrachtet, um die dahinterliegenden Mechanismen aufzuklären und Rückschlüsse auf Ihren Beitrag zur Gesamtdegradation ziehen zu können. Zudem entwickeln und beschaffen wir im Rahmen dieses Vorhabens eine einzigartige Infrastruktur, um PEM-Elektrolyseure in einem großtechnisch relevanten Maßstab zielgerichtet untersuchen zu können. Das Verbundvorhaben DERIEL ist Teil des Leitprojektes H2Giga.

Das Projekt Electroscopy nutzt Operando-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM), um die morphologischen, strukturellen und chemischen Veränderungen an Elektroden-Elektrolyt- und Elektrolyt-Elektrolyt-Grenzflächen während des Batteriezyklus zu visualisieren und so neue Erkenntnisse über Ionentransfermechanismen bis hin zur atomaren Skala zu gewinnen. Zu diesem Zweck werden im TEM Festkörper-Mikrobatterien konstruiert und morphologische, strukturelle und chemische Veränderungen an Batterieschnittstellen während der (De-)Lithiierung visualisiert und diese mit denen flüssiger Elektrolyte verglichen, um die beste Batteriearchitektur zu ermitteln.