Lithium-Batterien mit Luft/Sauerstoffelektrode

Lithium-Luft/Sauerstoff-Batterien haben zwar ein großes Potenzial wegen der theoretisch enorm hohen Energiedichte, trotz intensiver Entwicklungsarbeiten ist ein wirklicher Durchbruch bislang aber nicht erzielt worden. Im Gesamtvorhaben LiBaLu sollen die Lücken bei den Grundlagenkenntnissen geschlossen und Strategien für die Realisierung von Lithium-Luft/Sauerstoff-Systemen entwickelt werden. Die Realisierbarkeit soll anhand einer Prototypzelle demonstriert werden.

Ziel des LiBaLu-Teilprojekts Modellierung und Simulation ist die Unterstützung der Elektroden- und Zellentwicklung mithilfe umfangreicher Computersimulationen im Sinne des computergestützten Engineering (CAE). Zwei verschiedene Schwerpunkte stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Zum einen soll das mechanistische Verständnis der komplexen Elektrochemie in Lithium-Luft-Batterien durch mikrokinetische Modelle aufgeklärt werden. Auf Basis von postulierten Mehrschrittmechanismen werden makroskopische Eigenschaften (Entlade-/Ladekennlinien, Cyclovoltammogramme, elektrochemische Impedanzspektren) vorhergesagt und mit experimentellen Daten der Projektpartner verglichen. Zum anderen soll das Design der Prototypzelle mithilfe numerischer Simulationen untersucht und optimiert werden. So können etwa optimale Schichtdicken oder die Rolle von Gastransportlimitierungen identifiziert werden.

Im Ergebnis tragen die Arbeiten im Teilprojekt maßgeblich zur Erreichung der Gesamtprojektziele bei, indem die empirischen experimentellen Untersuchungen der Projektpartner mit einer theoretischen Basis untermauert werden.

Computergestütztes Elektroden- und Zelldesign: Ziel dieses Arbeitspakets ist die Vorhersage eines optimalen Designs der beim Projektpartner Varta entwickelten LiBaLu-Demonstratorzelle. Dafür wird ein skalenübergreifendes Modell entwickelt, das ein multiphysikalisches Modell (Elektrochemie und Transport in Elektroden und Separatoren) mit einem 2D-CFD-Modell (makroskopische Strömungsmechanik) koppelt.

Es werden umfangreiche Simulationen und Optimierungen folgenden Fragestellungen durchgeführt:

• Gastransportlimitierungen in den Luftverteilerlagen der Zelle,

• optimale Schichtdicken von Kathode, Anode, Separator, Glasmembran; Elektrodenbalancing,

• Einfluss Separator und Anolyt; Vergleich Gasdiffusionselektrode und geflutete Elektrode,

• Einfluss von inhomogenen Konzentrations- und Temperaturverteilungen,

• Vorhersage von Entlade- und Ladekennlinien sowie elektrochemischen Impedanzspektren.

Im Sinne des Computer-Aided Engineering (CAE) werden so optimale Voraussetzungen für die Realisierung des Demonstrators geschaffen.

Mikrokinetische Modellierung: Ziel ist es, die Elektrochemie und Transportmechanismen in der organischen Lithium-Luft-Zelle mithilfe von multiphysikalischen Modellen aufzuklären. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Rolle von Redoxmediatoren und Protonendonoren (Wasser). Dafür werden mikrokinetische Reaktionsmechanismen der Ladungs- und Protonentransferreaktionen entwickelt und mithilfe experimenteller Daten der am Projekt beteiligten Arbeitsgruppen der Universität Bonn (UB) und des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) parametriert. Im Ergebnis können das makroskopische elektrische Verhalten simuliert und die komplexen Wechselwirkungen von Mehrschritt-Elektrochemie (inkl. Mischpotentialbildung aufgrund der Redoxmediatoren, Ausfällung von festen Lithiumoxiden) und Transportvorgängen (z. B. Ort des Ausfalls des Lithiumoxiden, Transportlimitierungen durch gelösten Sauerstoff) interpretiert werden.

Lithium-Luft-Batterien stellen eine sehr attraktive zukünftige Batterietechnologie dar, da sie eine sehr hohe theoretische spezifische Energie aufweisen. Die Aktivitäten sind heute aufgrund der Vielzahl offener Fragestellungen weltweit sehr wissenschaftlich orientiert. Im vorliegenden Teilprojekt wird auf die vorhandene langjährige wissenschaftliche Expertise des Antragstellers aufgebaut. Entsprechend werden Ergebnisse im Bereich der Lithium-Luft-Batteriemodellierung auf internationalem Niveau erwartet.

Die wissenschaftliche Verwertung erfolgt nach Prüfung auf Schutzrechtswürdigkeit durch Publikationen und Konferenzbesuche. Projektergebnisse werden in Fachjournalen veröffentlicht, insbesondere Web-of-Science-(ISI)-gelisteten Zeitschriften. Außerdem werden die Ergebnisse auf einschlägigen Konferenzen vorgestellt (z. B. Deutschland: Kraftwerk Batterie; International: Meeting of the Electrochemical Society).

An der Hochschule Offenburg werden die Ergebnisse außerdem für die Ausbildung des ingenieurswissenschaftlichen Nachwuchses verwendet. Projekterkenntnisse werden in energiebezogenen Studiengängen der HS Offenburg eingebunden (BSc Energiesystemtechnik, BSc Verfahrenstechnik mit Schwerpunkt Energietechnik, MSc Energy Conversion and Management), in denen der Teilprojektleiter als Dozent tätig ist. Institutionell ist das vorliegende Projekt am Institut für Energiesystemtechnik (INES) der Hochschule Offenburg angesiedelt. Durch das Projekt wird das Portfolio des Instituts um eine moderne Batterietechnologie ergänzt und dessen Wettbewerbs- und Anschlussfähigkeit weiter erhöht.

Das Teilprojekt trägt durch das computergestützte Design direkt zur Entwicklung der Demonstrator-Lithium-Luft-Batterie bei. Im Projekt wird damit sowohl das grundlegende Verständnis als auch die praktische Realisierung dieser künftigen hochenergetischen Energiespeichertechnologie vorangetrieben.