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IBU-tec advanced materials AG

Pressestelle

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Der zunehmende Ausbau der Wind- und Solarkraft führt zu starken Schwankungen bei der Energieeinspeisung in die Stromnetze. Pumpspeicherkraftwerke stehen als effiziente elektrische Energiespeicher zur Stabilisierung der Netze nur regional zur Verfügung. Andere elektrische Energiespeicher wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien oder Vanadium-Redox-Flow-Batterien sind vergleichsweise teuer oder verwenden giftige Substanzen. Eine aussichtsreiche Alternative für eine preisgünstige und umweltfreundliche elektrische Energiespeicherung stellen Eisen-Luft-Akkumulatoren dar. Gemäß Abschätzungen ist mit Installationskosten von weniger als 100 $/kWh zu rechnen, was sie für die stationäre Energiespeicherung interessant macht. Eine besondere Konfiguration von Metall-Luft-Batterien ist die Metall-Slurry-Luft-Zelle, in der die Batteriemasse als Suspension durch die Zelle geleitet wird. Mit dieser Bauart ist die elektrische Speicherkapazität ausschließlich durch das Reservoir für die Slurry-Elektrode begrenzt. Der neue Forschungsansatz besteht darin, Eisen-Luft-Akkumulatoren mit einer Eisen-Slurry-Elektrode auszustatten und auf diese Weise elektrische Energie mit hoher Speicherkapazität in Form einer Eisen/Eisenhydroxid/ Kohlenstoff/Kalilaugen-Suspension preisgünstig zu speichern.  Mit der Bildung von Dendriten ist in einer alkalischen Eisen-Luft Zelle nicht zu rechnen, da die Redeposition des Eisens beim Laden wegen der geringe Löslichkeit von Eisen im alkalischen Medium nur zu geringen strukturellen Veränderungen der Elektrode führt. Als weitere Vorteile sind die gute Verfügbarkeit, der geringe Preis und das relativ geringe Gefährdungspotential der Ausgangstoffe zu nennen. Herausforderungen für effiziente technologische Lösungen sind die Realisierung von hinreichendem Kontakt der Eisen-/Eisenhydoxidpartikel zu der Ableitungselektrode sowie die Ladungsübertragung im Eisen-Slurry bei gleichzeitiger Begrenzung der Wasserstoffentwicklung.

Das Verbundvorhaben umfasst die folgenden Arbeitsschwerpunkte:
Erarbeitung von Herstellverfahren für die Erzeugung von speziellen Graphitdispersionen und Eisenoxiden als Ausgangstoffe für Eisen-Slurry-Elektroden. Dafür werden Eisenoxidpulver und Graphitsuspensionen hinsichtlich ihrer Eigenschaften variiert und für die Anwendung als Eisen-Slurry-Elektrode angepasst.

Erarbeitung von Verfahrensweisen und Formulierungen zur Erzeugung einer ausreichend leitfähigen und quasi reversiblen alkalischen Eisen-Slurry-Elektrode und deren chemisch-physikalische Charakterisierung (u.a. Leitfähigkeit und Viskosität des Eisen-Slurrys).

Grundlegende elektrochemische Charakterisierung der Eisen-Slurry-Elektroden und des Gesamtsystems mit verschiedenen elektrochemischen Methoden (u.a. CVs, CPS).

Design und Aufbau von zwei Eisen-Slurry-Luft-Durchflusszellen mit einer Zellfläche von 5 x 5 cm² und 10 x 10 cm².

Nachweis der grundlegenden Funktionsfähigkeit eines Eisen-Slurry-Luft-Akkumulators und Ermittlung der Leistungsdaten-

Das Thema stationäre Energiespeicherung gewinnt durch den schnellen Ausbau der erneuerbaren Energien zunehmend an Bedeutung. Schon heute werden allein in Deutschland pro Jahr mehrere Tausend Speichersysteme verkauft. Verschiedene Studien gehen davon aus, dass der Markt für stationäre Energiespeicherung im Jahr 2020 ein Volumen von 2,4 Mrd. € erreicht, wovon etwa 40 % auf Systeme mit Lithium-Ionen-Zellen entfallen. Vielen Vorteilen von heutigen Batteriespeichersystemen wie Modularität und Effizienz stehen nachteilig hohe Anschaffungskosten gegenüber, welche maßgeblich von den Zellpreisen beeinflusst sind. Aufgrund der guten Verfügbarkeit und des geringen Preises der Ausgangstoffe können Eisen-Slurry-Luft-Akkumulatoren einen wichtigen Beitrag zur künftigen stationären elektrischen Energiespeicherung leisten.  Für den Eisen-Slurry lässt sich eine für die Anwendung interessante volumetrische Energiedichte von ca. 230 Wh/l abschätzen. Aufgrund der leichten Skalierbarkeit des Slurry-Akkumulators kommt neben einem dezentralen Einsatz im kWh-Bereich auch ein zentraler Einsatz im MWh-Bereich in Betracht.  Darüber hinaus wird erwartet, dass das erarbeitete Wissen bezüglich der Herstellung von kohlenstoffhaltigen Zusatzstoffen und Metalloxiden auf andere Batteriesysteme und Produkte übertragen werden kann.

Eisen-Slurry-Luft-Akkumulator für die stationäre Energiespeicherung mit hoher Kapazität

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VARTA Microbattery GmbH

Herr Dr. Nicolas Bucher

Herr Dr. Martin Krebs

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Das Ziel des Teilprojekts „Elektrochemische Charakterisierung von Eisen-Slurry Elektroden und des Akkumulator-Gesamtsystems“ besteht in der Entwicklung und Evaluierung der Eisen-basierten Slurry-Elektrode und des Nachweises der Funktionstüchtigkeit des neuartigen Eisen-Slurry-Luft-Akkumu-ators auf Basis einer Labordurchflusszelle (im Folgenden als Flow-Zelle bezeichnet). Zur erfolgreichen Bearbeitung des Verbundprojekts und für ein erfolgreiches Akkumulator-System generell, ist es entscheidend durch eine gezielte Materialauswahl, eine möglichst effiziente und reversible Umsetzung des vorgelegten Aktivmaterials, d.h. des eingesetzten Eisens bzw. des Eisenoxids, zu erzielen. Entsprechend kommt der elektrochemischen Charakterisierung des geplanten Eisen/Carbon-Slurrys sowie der Entwicklung von Materialien und Prozessen eine übergeordnete Bedeutung zu. Ziel der Arbeiten in diesem Teilprojekt ist es geeignete Bedingungen für den effizienten Ablauf der Reduktions- und Oxidationsvorgänge des Eisen/Carbon-Slurrys an der Ableitungselektrode sowie für die elektrochemische Formierung des Eisens zu bestimmen. Die vorstehenden Bedingungen können sowohl prozessparametrischer (Temperatur und Zusammensetzung) oder zellgeometrischer (Fließkanalbreite und Viskosität) als auch elektrochemischer (Elektrodenpotential und Stromdichte) Natur sein. Insbesondere muss bei der Reduktion der Eisen/Carbon-Slurrys eine exzessive Wasserstoffbildung auf Grund zu hoher Überpotentiale verhindert werden, um eine hohe coulomb’sche Effizienz des Gesamtsystems erzielen zu können. Die Unterdrückung der Wasserstoffbildung soll durch den Einsatz fester oder löslicher Additive in den Slurrys realisiert werden, die aus der Literatur für andere, Eisen-basierte Batteriesysteme bekannt sind, für den neuartigen Akkumulator aber noch verifiziert werden müssen. Abschluss des Verbundprojekts ist der Betrieb und die technische Evaluierung der Flow-Zelle, die in Zusammenarbeit mit den Partnern über die gesamte Projektlaufzeit erarbeitet wird. Zum Zweck des Betriebs der Flow-Zelle muss der Eisen/Carbon-Slurry unter den gegebenen Bedingungen in der Flow-Zelle pumpfähig und elektrochemisch zyklisierbar sein, was über die optimale Einstellung der Slurry-Zusammensetzung nach Maßgabe der Vorergebnisse erreicht wird.

Schwerpunkt der geplanten Arbeiten im hier beschriebenen Teilprojekt ist es die grundlegenden Bedingungen für eine funktionale Zellkonfiguration zu identifizieren, bei denen eine effiziente Ladungsübertragung von der Ableitungselektrode auf den Eisen/Carbon-Slurry und somit die Realisierung von Oxidations- und Reduktionsvorgängen innerhalb der geplanten elektrochemischen Zelle möglich ist. Zur Identifikation dieser grundlegenden Funktionsbedingungen werden die vom Projektpartner BFI hinsichtlich des Fließ- und Sedimentationsverhaltens vorevaluierten Eisen/Carbon Slurrys mit Hilfe der rotierender Scheibenelektrode (RDE) umfassend elektrochemisch charakterisiert und gangbare Slurry Zusammensetzungen für den späteren Betrieb der Flow-Zelle erfasst. Maßgebliche Aspekte für die Funktionalität des Slurrys sind (i) die Partikelkontakte zur Elektrode, die über die Anordnung und Materialauswahl der Ableitungselektrode modifiziert werden (ii) das Volumen und die Fließbedingungen des verwendeten Slurrys (iii) die chemische Zusammensetzung und der Füllgrad des Slurrys sowie (iv) die eingestellten elektrischen und thermischen Betriebsparameter (AP1).
Aufbauend auf den Ergebnissen aus AP1 erfolgt die Optimierung der Zusammensetzungen der Slurrys durch Zugabe von Additiven zur Verringerung des Reduktions-Überpotentials an der Ableitungselektrode und somit zur Minimierung der Wasserstoffentwicklung während der Eisenoxidreduktion (AP2). Mögliche Zusatzkomponenten für die Eisen/Carbon Slurrys sind zum einen Feststoffe wie Bi2S3 und FeS sowie gelöste Substanzen wie Alkalimetallkationen (z.B. Li+) und Sulfidanionen (d.h. S2-). Anschließend erfolgt die Identifikation der optimalen elektrischen und thermischen Prozessparametern für den Formierungsprozess der eingesetzten Eisen- bzw. Eisenoxidpartikel, die, zusammen mit den Ergebnissen aus AP1 eine der Auslegungsgrundlagen für die Entwicklung der Flow-Zelle bilden und den Projektpartnern laufend zur Verfügung gestellt werden. Abschließendes Ziel des Teilvorhabens ist ein „proof of concept“ für die Funktionsfähigkeit des Eisen-Slurry-Luft Akkumulators sowie dessen elektrochemische Charakterisierung in verschiedenen Betriebszuständen.

Im Rahmen des Teilprojektes werden grundlegende Fragestellungen für die Entwicklung von zu-künftigen preisgünstigen, ressourceneffizienten und umweltfreundlichen elektrischen Energie-speichern für stationäre Anwendungen mit einem hohen Anwendungspotential bearbeitet. Letz-teres geschieht vor dem Hintergrund des zunehmenden Ausbaus der erneuerbaren Energien in Deutschland, die die Notwendigkeit der Energiespeicherung auf Netzebene nach sich ziehen. Wind- und Sonnenenergie gewährleisten im Gegensatz zu planbaren fossilen Energieträgern keine kontinuierliche Einspeisung ins Stromnetz, sodass für wind- und/oder sonnenarme Tage Vorsorge getroffen werden muss. Auf einem Zeithorizont von mehreren Stunden bis zu einem Tag, kann diese Vorsorge mit Hilfe von Akkumulatoren geschehen, die, im Sinne möglichst niedriger Gesamt-kosten für die Stromversorgung, selbst möglichst kostengünstig sein sollten. Ferner kommt, im Sinne eines nachhaltigen Energiesystems, der Ressourceneffizienz, d.h., der Verwendung häufiger und umweltfreundlicher Materialien eine hohe Bedeutung zu. Mit einer exzellenten Energiedichte von ca. 9700 Wh/l(Fe), sehr niedrigen Produktionskosten, globaler, nahezu unerschöpflicher Verfüg-barkeit und minimaler Toxizität erfüllt Eisen die vorstehenden Punkt außerordentlich gut, konnte bisher allerdings nicht in einem heute kommerziell erhältlichen Akkumulator und schon gar nicht in netzrelevanter Größe implementiert werden. Aus diesem Grund wird im Projekt FeEnergy der Ansatz der sog. Flow-Zelle verfolgt, bei der das Aktivmaterial, d.h. das Eisen bzw. das Eisenoxid, in Form eines Eisen/Carbon-Slurries vorgelegt wird. Flow-Zellen bieten dabei die Möglichkeit der freien Skalierbarkeit der elektrochemischen Speicherkapazität, während die Redoxvorgänge tem-porär nur in einem Teil des Elektrodenmaterials realisiert werden. Es liegt in diesem System also eine Entkoppelung von Speicher- und Reaktionsvolumen vor, die eine getrennte Skalierung des Speichers durch Vergrößerung des Reservoirs ermöglicht. Grundlage für die Funktion dieses Kon-zepts ist die effiziente Umsetzung der Energie an der Grenzfläche zwischen Ableitungselektrode und pumpfähigem Eisen/Carbon-Slurry, die es durch eine Variation aller verfügbaren Parameter einzustellen gilt.

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Forschungszentrum Jülich GmbH

Unternehmenskommunikation

Elektrochemische Charakterisierung von Eisen-Slurry Elektroden und des Akkumulator-Gesamtsystems

Institut für Energie- und Klimaforschung

Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)

Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Energie- und Klimaforschung

Grundlagen der Elektrochemie (IET-1)

Forschungszentrum Jülich GmbH Institute of Energy Technologies (IET) Grundlagen der Elektrochemie (IET-1)

Institute of Energy Technologies (IET)

Herr Prof. Dr. Rüdiger-Albert Eichel

Prof. Dr.

Arbeitseinheit TZ-PT: Physikalische Technologien / Laserforschung und Lasertechnik

Projektträger: Forschungsförderung | VDI Technologiezentrum Arbeitseinheit TZ-PT: Physikalische Technologien / Laserforschung und Lasertechnik

Projektträger: Forschungsförderung | VDI Technologiezentrum

H. C. Carbon GmbH

Walter Lemmen GmbH

Als wesentlicher Forschungsbeitrag zur Zielerreichung des Gesamtprojekts werden im Rahmen dieses Teilvorhabens dafür grundlegende Arbeiten zur Auswahl der Ausgangsstoffe und Erarbeitung von Verfahrensweisen zur Formulierung geeigneter Eisen-Slurrys ausgeführt. Forschungsbedarf besteht insbesondere darin, Lösungen zu erarbeiten, mit denen eine gute elektrische Anbindung der zur Passivierung neigenden Eisenpartikel an den äußeren Leitungskreis erreicht werden. Damit potenziell geeignete Eisen-Slurrys für die detaillierte elektrochemische Charakterisierung und die Ermittlung von Kenndaten bei den Verbundpartnern ausgewählt werden können, ist weiterhin eine grundlegende Charakterisierung hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit, des rheologischen Verhalten und der elektrochemischen Speicherfähigkeit erforderlich.

Die Teilprojekt umfasst folgende Arbeitsschwerpunkt:
Auswahl von Ausgangsstoffen und Erarbeitung von Verfahrensweisen und Methoden zur Er-zeugung von leitfähigen eisenhaltigen Suspensionen, die als förder- und speicherfähige Batteriemassen potenziell geeignet sind. Als Lösungsansatz werden verschiedene basische eisen- und kohlenstoffhaltige Suspensionen untersucht.
Senkung der interpartikulären Übergangswiderstände zwischen Eisen- und Kohlenstoffpartikel durch Anwendung spezieller Methoden und Verfahrensweisen.

Grundlegende Charakterisierung der chemisch-physikalischen Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit, Viskosität und Absetzverhalten). Weiterhin wird mit Hilfe eines elektrochemischen Screenings wesentliche elektrochemische Eigenschaften erfasst und eine Vorauswahl der Eisen-Slurrys, die seitens der Projektpartner vertieft untersucht werden, vorgenommen.

Strömungstechnische Auslegung einer Eisen-Slurry-Durchflusszellen mit numerischen Metho-den der Strömungsdynamik (CFD, Computational Fluid Dynamics), um Vorschläge für das Design einer Versuchszelle zu erarbeiten.

Bewertung der technischen Umsetzbarkeit und Abschätzung der Kosten für die Herstellung der Batteriemasse.

Das Konzept, Metall-Slurry-Elektroden in Metall-Luft-Akkumulatoren für die elektrische Energiespeicherung zu verwenden, bietet ähnlich wie in den Redox-Flow-Zellen die Möglichkeit der Skalierbarkeit der elektrischen Kapazität, da diese allein von der Größe der Speichertanks für die Batteriemasse abhängig ist. Weiterhin besitzen Metall-Slurry-Luft-Akkumulatoren durch Verwendung von Luftelektroden und Slurrys mit hohem Metallanteil eine hohe Energiedichte. Da Eisen als Energiespeicher preisgünstig und fast uneingeschränkt zur Verfügung steht, kann im Erfolgsfall elektrische Energie auch in großer Menge, bzw. über einen längeren Zeitraum in Form eines Eisen-Slurrys gespeichert und so ein wesentlicher technischer Beitrag zur Lösung der mit der Energiewende verbundenen Probleme geleistet werden.

Laufzeit	01.02.2019 - 31.07.2022
Ausführende Stelle	IBU-tec
Standort	Weimar
Fördersumme	251.544,00 €
Projektvolumen	k. A.
Fördergeber	BMFTR

VARTA Microbattery GmbH

Grundlagen der Elektrochemie (IET-1)

H. C. Carbon GmbH

Walter Lemmen GmbH

VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH