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

Die Verfügbarkeit von Energiespeichern ist ein essentieller Bestandteil für den Umstieg von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energiequellen. Derzeit konkurrieren sehr unterschiedliche, kommerziell und technologisch erfolgversprechende Technologieansätze, die sich je nach Speichertechnologie für automobile und/oder stationäre Anwendungen eignen.

Zu den attraktivsten Energiespeichertechnologien zählen insbesondere die bereits seit Jahren kommerzialisierten Lithium-Ionen-Batterien sowie die Systeme der „nächsten Generation“, die sogenannten Post-Lithium-Ionen Systeme. Bei letzteren haben sich vor allem Metall-Luft- und Metall-Schwefel-Batteriesysteme als aussichtsreiche Kandidaten herauskristallisiert. Diese zeichnen sich durch sehr hohe theoretische spezifische Energien beziehungsweise Energiedichten aus. Die praktisch realisierbaren Energiedichten auf Zellebene sind jedoch bei weitem noch nicht zufriedenstellend. Zudem weisen die Metall-Luft-Systeme eine derzeit stark limitierte Zyklenstabilität sowie eine geringen Kapazitätserhaltung auf.

Im Verbundprojekt MeLuBatt werden Elektrolyte, Anoden- und Kathoden-Materialien für Lithium-, Natrium-, Zink-, Magnesium- und Calcium-basierte Metall-Luft-Batterien systematisch untersucht, um Phänomene der Elektrolyt- und Elektrodendegradation in diesen zukunftsträchtigen Batteriesystemen gezielt zu verstehen und zu vermindern. Auch die bisher übersehene Querverbindung der Sauerstoff-Redoxchemie bei Metall-Luft-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien wird dabei im Detail untersucht werden: Durch ein erweitertes Verständnis der Sauerstoff-Redoxchemie in Metall-Luft-Batterien wird die Problematik der unerwünschten Sauerstoffentwicklung an Oxidkathoden in Lithium-Ionen-Batteriesysteme ebenfalls besser verstanden und wenn möglich gelöst werden.

Die zentralen Ziele des MeLuBatt-Verbundprojektes sind eine Erhöhung der Lebensdauer und der Leistungsfähigkeit relevanter Metall-Luft-Batterien. Dies wird im Detail durch das tiefere Verständnis der Dendritenbildung, der Erhöhung der Zyklenstabilität der Zellen durch den geschickten Einsatz von Redoxmediatoren, sowie dem Einsatz von effizienten und stabilen Gasdiffusionselektroden erreicht werden. Dabei werden die einzelnen Projektpartner jeweils in enger Zusammenarbeit verschiedene Teilaspekte der Metall-Luft-Batterien untersuchen und die bestmöglichen Lösungen für die einzelnen Problemstellungen erarbeiten. Darauf basierend werden komplette Metall-Luft-Batteriesysteme im Labormaßstab entwickelt, die hinsichtlich der realisierbaren Energie- und Leistungsdichte untersucht werden, um die meistversprechenden Metall-Luft-Batterien zu identifizieren und anschließend zu optimieren.

Um die verschiedenen Probleme von Metall-Luft-Batterien anzugehen, werden zwei Lösungsansätze in sechs Arbeitspaketen mit Hilfe von sieben Projektpartnern verfolgt: Einerseits sollen die Ursachen der Elektrolytzersetzung erforscht und behoben werden, während andererseits die Instabilität der bisher wenig beachteten Metallanode untersucht wird. Der Verbund nutzt dafür ein umfangreiches Methoden-Repertoire, welches sich aus den Bereichen der elektrochemischen Diagnose und der instrumentellen Analytik zusammensetzt.

• Im ersten Arbeitspaketes sollen vorhandene Metall-Luft-Batteriesysteme verbessert und neue, bisher wenig beachtete Konzepte grundsätzlich verstanden und weiterentwickelt werden. Vergleichende Messungen mit den verwendeten Kationen der Anodenmaterialen sollen dabei helfen, zunächst grundlegende Erkenntnisse zu sammeln.

• Im zweiten Arbeitspaket soll die Stabilität der eingesetzten Anoden gegenüber den verwendeten Elektrolyten gezielt verbessert werden, indem unterschiedliche Modifizierungen der Anodenoberfläche untersucht werden. Diese Anodenmodifizierung ist stark mit dem Ziel verknüpft praxisnahe Elektrolyt-Systeme zu identifizieren und bekannte Probleme wie Korrosion oder Dentridenbildung zu unterbinden.

• Das dritte Arbeitspaket beschäftigt sich mit der Entwicklung von stabilen Kathodenmaterialien und der gezielten Anpassung an den verwendeten Elektrolyten. Hierbei werden das Kohlenstoffsubstrat, die Benetzungseigenschaften des Elektrolyten in Abhängigkeit der Porosität der verwendeten Kathoden sowie der Kontakt zur Umgebung für die verschiedenen Metall-Luft-Batteriesysteme analysiert.

• Im vierten Arbeitspaket sollen neuartige Elektrolyte entwickelt werden und diese in enger Verknüpfung mit den Arbeitspaketen eins bis drei getestet werden.

• Im fünften Arbeitspaket soll eine unterstützende modellbasierte Analyse und Zell-Diagnostik für alle gewählten Metall-Luft-Batteriesysteme durchgeführt werden. Hierbei wird eine Kombination von modellbasierter und dynamischer elektrochemischer Analyse für Elektroden und Vollzellen eingesetzt.

• Im sechsten Arbeitspaket werden gemeinsame Limitierungen für den Betrieb von Metall-Luft-Batterien herausgearbeitet und für zukünftige praktische Anwendungen bewertet. Im Detail findet in diesem Arbeitspaket eine stetige vergleichende Betrachtung der sehr verschiedenen in MeLuBatt untersuchten Metall-Luft-Batteriesysteme statt. Dieses zusammenfassende Arbeitspaket stellt somit die zentralen Vor- und Nachteile der derzeit vielversprechenden Metall-Luft-Batterietechnologien zur elektrochemischen Energiespeicherung bezüglich theoretischen und praktischen Energieinhalten (volumetrisch, gravimetrisch), Skalierbarkeit, benötigter Ressourcen, Lebensdauer, Praxistauglichkeit und Leistungsfähigkeit zusammen.

Die im Verbundprojekt MeLuBatt erzielten wissenschaftlichen und technologischen Ergebnisse werden die weitere Entwicklung von Metall-Luft-Batterien maßgeblich beeinflussen. Sollte der Brückenschlag zwischen explorativer und praktisch realisierbarer Technologie gelingen, stellen die im Projekt untersuchten Metall-Luft-Batteriesysteme eine nachhaltige und ressourceneffiziente Technologie dar. Der Einsatz solcher Batteriesysteme als Energiespeicher würde maßgeblich dazu beitragen, die gesetzten Klimaschutzziele zu erreichen.

Die Arbeitshypothese, dass es eine bisher wenig beachtete Brücke zwischen der Sauerstoff-Redoxchemie in Metall-Luft-Batterien und der ungewollten Freisetzung von Sauerstoff in oxidischen Kathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien gibt, kann zu unerwarteten Ergebnissen führen, die wissenschaftliche und technologische Vorsprünge zur Folge haben können.