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

Metall-Luft-Batterien (MLB) basieren auf der Umwandlung bzw. Auflösung einer Metallelektrode, was zu einer Volumenänderung der Elektroden und damit einer Änderung der reaktiven Dreiphasengrenze an der Kathode aufgrund des verdrängten Elektrolytvolumens und der Produktabscheidung führt. Hohe Energiedichten verursachen daher starke Änderungen von Elektrodenstruktur und Elektrolytlevel und können zu Limitierungen des Stofftransports führen. In diesem Projekt werden am Beispiel der Lithium-Sauerstoff-Batterie der Effekt dieser Änderungen auf die Leistungsfähigkeit der Kathode modellbasiert analysiert und quantifiziert.

Eine weitere Herausforderung besteht in der schlechten Leitfähigkeit der Oxide, welche die Wiederaufladung der Batterie behindert. Redoxmediatoren sind eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen. Daher wird der Effekt von Redoxmediatoren auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Physikochemische Simulationen werden begleitet von gezielten Experimenten; zusammen bieten diese einen tiefen Einblick in den Zustand der Zelle und die limitierenden Prozesse.

Schließlich werden die Ergebnisse von Lithium-Sauerstoff-Batterien auf weitere MLB extrapoliert. Ziel ist es, Grenzen der Leistungsfähigkeit der betrachteten Zellen systematisch zu erfassen und Wege zum Erreichen der Idealwerte aufzuzeigen. Durch eine quantitative Beschreibung der einzelnen Prozesse in den MLB können in Zukunft gezielt diejenigen mit dem größten Verbesserungspotential optimiert werden.

Zunächst erfolgt eine Modellierung der veränderlichen Elektrodenporositäten und Elektrolytlevel sowie der daraus resultierenden Sauerstoff-Transportlimitierungen in der Kathode. Es folgt eine detaillierte modellbasierte und experimentelle Analyse des Effektes der Volumenänderungen auf die Flutung der Kathode und erreichbare Energie- und Leistungsdichten. Beispielsweise wird für unterschiedliche Kathodendicken die jeweils maximale Kapazität unter Berücksichtigung vorgegebener Stromdichten und des limitierenden Sauerstofftransports bestimmt.

Daran schließt die Untersuchung des Einflusses von Redoxmediatoren auf die Prozesse und Leistungsfähigkeit der Zelle an. Insbesondere die Entlade-Überspannung in Abhängigkeit des Kathodendesigns sowie der parasitäre Ladungsverlust wird hier abgebildet. Schließlich wird der Einfluss einer inhomogenen Verteilung der Reaktionsprodukte an der Kathode untersucht und günstige Verteilungen werden identifiziert. Parallel zur Modellierung werden jeweils experimentelle Methoden zur Validierung hinzugezogen. Dazu werden unter anderem eigens entwickelte Zellen genutzt, in denen sich die Ablagerung von Reaktionsprodukten an der Kathode im Betrieb beobachten lässt.

Abschließend wird die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf andere Zellchemien evaluiert und die Leistungsfähigkeit der untersuchten MLB mit der von Lithium-Ionen-Batterien verglichen und bewertet.

Die identifizierten Beziehungen zwischen Leistungsfähigkeit und Elektrodenvolumina und -porösitäten sowie der Elektrolytflutung der Luftelektrode werden quantifiziert und über Veröffentlichungen der wissenschaftlichen Gemeinschaft und forschenden Industrieunternehmen zugänglich gemacht. Insbesondere die Möglichkeit, modellbasiert das Potential unterschiedlicher Designs und Konzepte ohne aufwendige Versuche abzuschätzen, erlaubt eine gezielte Steuerung von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten.

Die simulationsbasierte Identifikation günstiger Elektrolytlevel, Produktverteilungen und Redoxmediatoren an der Kathode wird es erlauben, aus einer großen Anzahl und Varianz an Designparametern diejenigen Größen und Parameter zu identifizieren, die essentiell für die Leistungssteigerung von Metall-Luft-Batterien sind. Langfristig stellen die Erkenntnisse damit einen Grundstein zur Etablierung eines Marktes für eine wettbewerbsfähige Post-Lithium-Ionen-Speichertechnologie in Deutschland dar. Generell fließen alle Ergebnisse in die Ausbildung von Nachwuchswissenschaftlern (Vorlesungen, Praktika, Seminare) und in den Industriebegleitkreis der Battery LabFactory (BLB) der TU Braunschweig sowie in Industrieworkshops ein.