Forschung
Überblick
Der Exzellenzcluster POLiS erforscht neue Batteriematerialien und Technologiekonzepte für eine leistungsfähige und nachhaltige Speicherung elektrischer Energie. Ziel des Clusters ist es, Elektrodenmaterialien und Elektrolyte zu entwickeln, die nachhaltige Systeme auf der Basis von Natrium-, Magnesium-, Aluminium-, Kalzium- und Chlor-Ionen ermöglichen. Größere Hürden für Entwicklung und Einsatz von Post-Lithium-Systemen und damit die Legitimation für unsere Forschung sind:
- Niedrige Mobilität von Ionen in Festkörpern und Flüssigkeiten
- Fehlen maßgeschneiderter Materialgrenzflächen mit geeigneten Ladungstransfer-Eigenschaften
- Schnelle Alterung von Aktivmaterialien und Elektrolyt
- Unzureichende Reversibilität bei Be- und Entladeprozessen
Laila Tkotz
Die großen Herausforderungen unseres Forschungsvorhabens werden in vier Forschungsbereichen behandelt, die sich den Schwerpunktthemen Elektrodenmaterialien, Elektrolyte, Grenzflächen und Integration & Nachhaltige Zelltechnik widmen. Die Forschergruppen sind in 14 Arbeitspaketen organisiert, die interdisziplinäre Projekte umfassen. Der Cluster verfolgt einen multidisziplinären Ansatz, der Nass- und Festkörperchemie, Elektrochemie, atomistische und Kontinuums-Modellierung mit Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik verbindet. Die erarbeiteten Konzepte werden auf Batterie-Vollzellen übertragen, um sie auf Leistungsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Sicherheit zu überprüfen. Es gibt eine rasch steigende Nachfrage für zukünftige Batterien, die Folgendes umfassen und unsere Forschung definieren:
- Nachhaltige Materialien und Herstellungsverfahren
- Erhöhte volumetrische/gravimetrische Energiedichte
- Eigensichere Konstruktion
- Lange Betriebs- und Haltbarkeitsdauer
- Niedriger Preis pro kWh
Wie funktioniert eigentlich eine Batterie?
Eine wiederaufladbare Batterie besitzt zwei Elektroden: die Anode (Minuspol) und die Kathode (Pluspol). Sie bestehen aus Materialien, die sowohl Elektronen (also elektrischen Strom) als auch elektrisch geladene Ionen leiten (das sind Atome, die eines oder mehrere Elektronen verloren haben). Anode und Kathode sind umgeben von einem Elektrolyten, einem Material, das ausschließlich Ionentransport zulässt. Häufig ist der Elektrolyt flüssig, er kann jedoch auch fest sein, dann spricht man von einem Feststoffelektrolyten. Die beiden Elektroden sind durch einen Separator getrennt. Das ist eine Schicht, die beispielsweise aus Glasfaservlies oder porösem Kunststoff bestehen kann. Sie verhindert, dass die beiden Elektroden sich berühren und vermeidet so Kurzschlüsse in der Batterie. Je nach Batterietyp sind die Elektroden, Elektrolyt und Separator gestapelt oder gerollt in einer Hülle oder einem Gehäuse versiegelt untergebracht.
Die beweglichen Ionen im Inneren der Batterie (z.B. Li+, Na+, oder Mg2+) können sich nun in eine der beiden Elektroden einlagern. Sind die Ionen in der Anode eingelagert (Minuspol), dann ist die Batterie geladen. Beim Entladen wandern sie mit Hilfe des Elektrolyts durch die Batterie und werden dann in der Kathode (Pluspol) eingelagert. Sind die Ionen dort gespeichert, ist die Batterie entladen. Um die Ladung der positiven Ionen bei der Wanderung auszugleichen, wandern gleichzeitig negative Ladungsträger (Elektronen) über den äußeren Stromkreis zur betreffenden Elektrode. So kann bei der Entladung der elektrische Strom genutzt werden, wenn die Ladungsträger zur Kathode selbständig wandern. Beim Beladen werden die Elektronen (und damit dann auch die Ionen) mit Hilfe des Ladegeräts wieder in die Anode „gepumpt“.
Natrium
Die Natrium-basierte Batterie gehört zu den am weitesten fortgeschrittenen Post-Lithium-Technologien. Sie steht im Vergleich zu anderen Post-Li-Technologien bereits näher an der Markteinführung, bietet aber eine Speicherleistung, die unter der von Lithium-Ionen-Batterien liegt. Dagegen steht die weitaus bessere Verfügbarkeit von Natrium, was im Vergleich zu den derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien zu niedrigeren Kosten und größeren Produktionsmengen führen könnte. Die Markteinführung von Natrium-Ionen-Batterien wird sich deshalb zunächst auf Nischenanwendungen, z.B. in Powertools und für den stationären Bereich beschränken. Um dieses System weiterzuentwickeln, werden die grundlegenden Faktoren, die die Leistung von Elektrodenmaterialien und Elektrolyten in Bezug auf Energiedichte, Sicherheit und Kosten begrenzen, von POLiS ganzheitlich behandelt. Dazu gehört das Verständnis der Insertions- und Umwandlungsmechanismen in anorganischen und organischen Materialien und der ionische Transport.
Magnesium
Magnesium bietet viele nützliche Eigenschaften für die elektrochemische Energiespeicherung: Es ist in hohem Maße auf der Erde vorhanden und ungiftig, transportiert zwei Ladungen pro Mg-Ion anstatt nur einer (wie z.B. Lithium), und ermöglicht hinreichend hohe Zellspannungen. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die Abscheidung von Magnesium an der negativen Elektrode einer Batterie nicht wie bei Lithium zur Dendritenbildung und damit Kurzschlüssen führt, so dass das unverdünnte Magnesium-Metall als sichere Anode mit sehr hoher Kapazität eingesetzt werden kann. Damit hat die Mg-Batterie großes Potential, sich zu einer sicheren, nachhaltigen und leistungsfähigen Batterietechnologie zu entwickeln.
Wichtige Hindernisse auf dem Weg zu einer wettbewerbsfähigen Magnesium-Batterie sind die geringe ionische Mobilität des Ions in Festkörpern und Flüssigkeiten, die unzureichende Kapazität der positiven Elektrode und die kinetischen Barrieren, die mit dem ionischen Transport und der Insertion verbunden sind und zu Effizienzverlusten der Batterie führen. Innerhalb des Clusters versuchen wir diese Hindernisse besser zu verstehen, und auf Basis dieses Verständnisses auszuräumen, um innerhalb der nächsten Jahre einen Prototyp einer Magnesium-Batterie zu entwickeln.
Al & Ca & Cl
Erste theoretische Untersuchungen und experimentelle Studien haben gezeigt, dass Batteriesysteme auf Basis von Aluminium, Kalzium oder Chlor nachhaltig und sicher sind sowie hohe volumetrische Energiedichten bieten. Studien zu Elektrolyten und Interkalations- und Konversionselektroden sind jedoch noch nicht so weit fortgeschritten wie im Fall von Na- oder Mg-basierten Batterien. POLiS-Forschende konzentrieren sich darauf, den aktuellen Wissensstand erheblich zu erweitern und den Technologie-Reifegrad der verschiedenen Batteriekomponenten zu erhöhen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konzipieren und realisieren Machbarkeitsstudien von Zellen, um weiterführende Bemühungen hin zur Zellfabrikation zu ermöglichen. Die experimentellen Arbeiten an den Zellkomponenten werden durch die theoretische Modellierung von Wirtsstrukturen und Elektrolyten sowie durch Nachhaltigkeitsstudien und Lebenszyklusanalysen ergänzt.