Zink-Luft-Akkumulator als sicherer elektrochemischer Speicher für emissionsarme und explosionsgeschützte Industriebereiche

Das übergeordnete Ziel dieses Teilprojektes ist die Entwicklung einer neuartigen Gasdiffusionselektrode (GDE) auf Basis von oberflächenstrukturierten porösen Titan. Der zum Einsatz kommende Hochleistungsultrakurzpulslaser ist dabei in der Lage, die Metalloberflächen homogen im Mikro- und Nanomaßstab zu strukturieren, welches in einem Prozessschritt zu dauerhaften Veränderungen wichtiger GDE-Eigenschaften führt und damit neuartige und vielversprechende GDE-Konzepte ermöglicht.

Neben dem Nachweis der Bifunktionalität dieser GDE mit vergleichbarer oder verbesserter Performance gegenüber dem Stand der Technik durch erhöhte Effizienz soll diese durch das gewählte Material- und Aufbaukonzept eine herausragend hohe Lebensdauer aufweisen.

Das am HHI-FS durchgeführte Teilprojekt konzentriert sich auf die Entwicklung neuartiger bifunktionaler Gasdiffusionselektrodenkonzepte und deren Umsetzung für die Anwendung in Zink-Luft-Batterien.

Die Entwicklung dieser GDE-Konzepte innerhalb des HHI-Teilprojektes beruht maßgeblich auf der Oberflächenmodifikation der GDE-Basisstruktur mittels des am HHI implementierten Ultrakurzpulslaserprozesses. Die durch diesen Laserprozess geschaffenen mikro- und nano-strukturierten Oberflächen besitzen dabei zwei wesentliche Eigenschaften:

• Vergrößerung der spezifischen Oberfläche,

• Änderung des Benetzungsverhaltens der Oberflächen in flüssigen Medien,

deren Kombination mit anderen zum Teil bekannten GDE-Bestandteilen für die GDE genutzt werden sollen.

In Gegensatz zu anderen GDE soll die in diesem Teilvorhaben zu entwickelnde Elektrode im Kern aus einem porösen Titan- bzw. Sintertitankörper bestehen, welcher sowohl gas- als auch elektrolytseitig mit dem Ultrakurzpulslaser funktionalisiert wird. Dies dient zum einen dazu, gasseitig die spezifische Oberfläche zu erhöhen, und zum anderen dazu, die Benetzungseigenschaften für den flüssigen Elektrolyten gezielt einzustellen. Dabei soll die Gasseite hydrophob und die Elektrolytseite hydrophil eingestellt werden. Zu diesem Konzept wurden in der Vergangenheit bereits erste Vorarbeiten durchgeführt.

In ersten Tests bezüglich des Benetzungsverhaltens laserstrukturierter Titanoberflächen konnte bereits gezeigt werden, dass diese durch den Ultrakurzpulslaser wahlweise hydrophil oder hydrophob funktionalisiert werden konnten. Auf den Einsatz bekannter Hydrophobierungsmittel wie Polytetrafluorethylen konnte dabei verzichtet werden, was den Prozess sehr vereinfacht. Darüber hinaus ist in diesem Vorhaben zu überprüfen, inwiefern diese Eigenschaften unter den Betriebsbedingungen dauerhaft erhalten bleiben.

Zur Unterstützung der Gasdiffusion zur Dreiphasengrenze ist darüber hinaus geplant, entsprechende gaspermeable Membranen aus PTFE-Dispersionen direkt auf die Dreiphasengrenze aufzubringen und zu sintern. Ein Laminieren von verfügbaren PTFE-Membranen ist ebenfalls Teil der Untersuchungen.

Um die laserstrukturierten Oberflächen katalytisch zu aktivieren, werden verschiedene Katalysatoren und auch deren Kombinationen (binär, ternär) direkt mittels Sputterverfahren in die Dreiphasengrenze der GDE eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass spezifische Schichtdicken bzw. Katalysatorbeladungen weniger Nanometer ausreichend sein und damit aus ökonomischer Sicht prinzipiell Edelmetallkatalysatoren zum Einsatz kommen können.

Für den Separator werden zwei verschiedene Konzepte verfolgt. Zum einen die Verwendung von verfügbaren Standardseparatoren welche mittels geeigneter Klebung, d. h. guter Nassklebeeigenschaften bei gleichzeitiger Elektrolytdurchlässigkeit, auf die Elektrolytseite der GDE aufgebracht werden. Zum anderen soll untersucht werden, inwiefern das Anodisierungsverfahren der Elektrolyt-zugewandten Seite eine dauerhaft stabile und elektrolytdurchlässige Separatorschicht hervorbringt. Dies hätte den Vorteil, dass die notwendigen Komponenten der GDE verringert würden und der Aufbau und das spätere Recycling vereinfacht werden könnten.

Aus dem Projekt ZiLsicher wird eine Reihe von Ergebnissen resultieren, die über den wirtschaftlichen Aspekt hinaus von wissenschaftlich-technischem Interesse sind. Hierbei handelt es sich insbesondere um neue laserstrukturierte GDE-Strukturen mit verbesserter katalytischer Wirkung und diesbezüglich kostengünstige Zell- und Stackdesigns.

Es wird erwartet, dass sich die Forschungs- und Entwicklungsergebnisse zu den Gasdiffusionselektroden auch auf andere gasentwickelnde Elektrolyseformen (z. B. alkalische Elektrolyse, Chloralkalielektrolyse) übertragen lassen. Die Projektergebnisse stellen wichtige Voraussetzungen für eine technisch-wissenschaftliche Weiterentwicklung dieser Technologie hin zu effizienteren galvanischen Zellen mit höherer und langanhaltender Raum-Zeit-Ausbeute dar.