Frischer Wind für Metall-Luftsauerstoff-Batterien – Was man von Lithium-Ionen-Batterien lernen kann

Das Ziel des Teilprojektes ist es, deutliche Fortschritte auf dem Weg zu wieder aufladbaren Metall-Luft-Batterien (MLB) zu erreichen. Dazu wird der Hauptfokus auf die Modifizierung der Metallanoden gelegt.

Aufgrund ihrer sehr hohen theoretischen spezifischen gravimetrischen und volumetrischen Energie und Energiedichte sind MLB eine sehr vielversprechende Klasse von Energiequellen für Elektrofahrzeuge und andere elektronische Anwendungen. So besitzen die Lithium-Sauerstoff-Batterie und Zink-Sauerstoff-Batterie ohne Berücksichtigung des Gewichts des Sauerstoffs eine theoretische spezifische Energie von 5.200 Wh/kg bzw. 1.090 Wh/kg. Allerdings ist es zurzeit trotz eines regen Forschungsinteresses nicht möglich, diese Werte praktisch zu erzielen. Um diese Werte tatsächlich erreichen zu können, müssen daher einige Herausforderungen, wie die Wahl eines geeigneten Elektrolytsystems, die Verringerung des Überpotentials zwischen Lade- und Entladereaktion, die Korrosion der Metallanode durch den im Elektrolyt gelösten Sauerstoff und die niedrige Effizienz der Metallabscheidung und Metallauflösung, gemeistert werden.

Die Hauptziele dieses Teilprojekts sind daher zum einen die Auswahl und Entwicklung geeigneter Metallanoden bzw. die Wahl geeigneter Oberflächenbeschichtungen der jeweiligen Metallanoden mit anderen Metallen und die Evaluation des Einflusses der in den MLB verwendeten Luft auf die Leistungsfähigkeit und Zyklenfestigkeit der entsprechenden Metall-Luft-Batterie. Zusätzlich werden auch Hydridelektrolyte, die etwa Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid enthalten, für die MLB entwickelt und auf ihre Verwendbarkeit untersucht, um das Dendritenwachstum zu unterbinden und die Reversibilität der Metallabscheidung bzw. -anlagerung zu verbessern.

Das Teilvorhaben wird die Probleme der MLB-Anode, die sich aus den physikalisch-chemischen Prozessen sowohl auf der Material- als auch der Elektrodenebene ergeben, analysieren und Lösungen für diese suchen und finden. Hierbei liegt ein Schwerpunkt auf einem tiefergehenden Verständnis des Einflusses des in den MLB verwendeten Luftsauerstoffs auf den Metallabscheidungs- und -auflösungsprozess. Ein zusätzlicher Fokus wird auf die Erkenntniserweiterung in Bezug auf die Bildung und Vermeidung von Dendriten gelegt. Des Weiteren wird ein Schwerpunkt auf eine deutliche Erhöhung der Zyklenstabiliät der modifizierten Metallanoden gesetzt. Es wird auch eine Untersuchung der praktisch erreichbaren Leistung- und Energiedichten der Lithium-Sauerstoff- und Zink-Sauerstoff-Batterie durchgeführt, evaluiert und optimiert.

Durch die Anwendung verschiedener elektrochemischer und strukturbestimmender Messmethoden können die ungewollten (Dendritenbildung) und beabsichtigen Anodenreaktion untersucht werden und damit gezielte Lösungen für eine stark verbesserte Leistungsfähigkeit der jeweiligen MLB entwickelt werden.

Das Teilprojekt vereint die Expertise der gezielten Entwicklung von Metallanoden und ihrer Verwendung in den entsprechenden Batteriezellen. Die in diesem Teilprojekt entwickelten Konzepte und Laborprozesse können sowohl für wissenschaftliche als auch kommerzielle Anwendungen, wie stationäre Energiespeicher, genutzt werden. Weiterhin können die erhalten neuen wissenschaftlichen Ergebnisse auch in anderen Zusammenhängen verwendet werden, etwa für elektrokatalytische Reaktionen in Hybridelektrolyten, für die Präparation anderer metallbasierter Anoden und für Hochleistungsbatterien.

Durch die Synergien der wissenschaftlichen und methodischen Kompetenzen aller beteiligten Projektpartner wird ein vergrößertes Verständnis der in MLB ablaufenden erwünschten und unerwünschten Prozesse erhalten. Aus diesen Erkenntnissen lassen sich dann Lösungsstrategien entwickeln, die es ermöglichen, durch Wirtschaftskooperationen und angewandte Forschung reale Produkte beschleunigt herzustellen.

Während der Projektlaufzeit werden die neuen wissenschaftlichen Ergebnisse gezielt zu Schutzrechtsanmeldungen geführt. Nach der Prüfung auf Schutzrechtsanmeldungen werden die erhaltenen neuen Erkenntnisse in wissenschaftlichen Publikationen der Öffentlichkeit vorgestellt.