Grundlagen der Elektrochemie (IET-1)

Unsere aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Weiterentwicklung von Batterietechnologien der nächsten Generation, einschließlich primärer Silizium-Luft- und Titan-Luft-Systeme sowie sekundärer Zink-Luft- und Eisen-Luft-Technologien. Silizium-Luft-Batterien bewältigen Herausforderungen wie Anodenpassivierung und Korrosion durch Oberflächenmodifikationen und Additive. Bei Titan-Luft-Batterien werden nichtwässrige ionische Flüssigelektrolyte verwendet, die trotz der natürlichen Passivität von Titan das Potenzial für hohe Kapazitäten bieten. Sekundäre Zink-Luft- und Eisen-Luft-Batterien konzentrieren sich auf die Verbesserung der Leistung durch Elektroden- und Elektrolytzusätze, was sie zu den fortschrittlichsten wiederaufladbaren Metall-Luft-Systemen macht. Durch Innovationen bei Materialien und Elektrolyten wollen wir nachhaltige Lösungen mit hoher Energiedichte für künftige Energiespeicheranwendungen liefern.

Silizium-Luft-Batterien

Silizium-Luft-Batterien sind eine primäre Energiespeichertechnologie, die aufgrund des reichlichen Vorkommens und der hohen theoretischen spezifischen Kapazität von Silizium vorteilhaft ist. Diese Batterien sind besonders wichtig für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. in der Übergangselektronik, wo Nachhaltigkeit und Effizienz entscheidend sind. Allerdings haben Probleme wie die Passivierung der Siliziumanode und Korrosion ihren praktischen Einsatz behindert. Wir haben diese Probleme durch die Entwicklung fortschrittlicher Oberflächenmodifizierungsverfahren und speziell entwickelter Elektrolyte in Angriff genommen. Durch diese Innovationen konnten wir die Stabilität und Lebensdauer von Silizium-Luft-Batterien erheblich verbessern.¹

Titan-Luft-Batterien

Titan-Luft-Batterien sind eine primäre Energiespeichertechnologie, die einen Multi-Elektronentransfer und dadurch hohe Energiekapazitäten bietet. Dieses System ist wichtig, um die Grenzen der Energiespeichereffizienz zu verschieben. Allerdings ist die natürliche Passivität von Titan eine Herausforderung. Wir haben dieses Problem durch die Verwendung eines neuartigen nichtwässrigen ionischen Flüssigelektrolyten und die Optimierung der elektrochemischen Parameter gelöst. Diese Lösungen haben den Weg für die Nutzung des vollen Potenzials von Titan freigemacht und ermöglichen eine zuverlässige Leistung mit hoher Kapazität.¹

Zink-Luft-Batterien

Zink-Luft-Batterien gehören zu den vielversprechendsten Metall-Luft-Systemen, da sie hohe theoretische Energiedichten mit Ressourceneffizienz und Sicherheit verbinden und ein immenses Potenzial für großtechnische Anwendungen bieten. Herausforderungen wie Dendritenbildung, Luftkathodendegradation und Elektrolytinstabilität behindern jedoch ihre kommerzielle Skalierbarkeit. Um diese Hürden zu überwinden, haben wir Anoden aus einer Al-Zn-Legierung entwickelt ¹ und unsere Forschung auf neutrale und nahezu neutrale Elektrolyte konzentriert, die mit chelatbildenden Zusätzen wie Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) angereichert sind ². EDTA verhindert wirksam die Bildung von unlöslichen Zinkhydroxiden und -oxiden, fördert die homogene Zinkabscheidung und verbessert die Entladespannungen und die Zyklenleistung erheblich. Darüber hinaus haben Operando-Studien mit fortschrittlichen bildgebenden Verfahren wie der Labor-Röntgen-Computertomographie neue Einblicke in die Entwicklung der Elektrodenmorphologie während des Zyklisierens gegeben ³. Diese Methoden zeigen, wie unsere Elektrolytformulierungen das Dendritenwachstum unterdrücken und die Elektrodenstabilität unter realistischen Betriebsbedingungen erhöhen.

Eisen-Luft-Batterien

Eisen-Luft-Batterien sind eine vielversprechende Alternative unter den Metall-Luft-Systemen, da Eisen kaum Dendriten bildet, eine hohe volumetrische Energie liefert (9.700 Wh/LFe) und als zweithäufigstes Metall auf der Erde mit einer jährlichen Produktion von 2,5 Milliarden Tonnen reichlich vorhanden ist. Trotz Kommerzialisierungsversuchen in den 1970er Jahren haben Probleme wie die Eisenkorrosion in wässrigen Elektrolyten, die Wasserstoffentwicklung und die geringe Leitfähigkeit von Fe(OH)₂ ihre Anwendung eingeschränkt. Um diese Probleme zu lösen, konzentrieren sich die laufenden Bemühungen auf die Entwicklung neuartiger Elektroden mit optimierten Zusammensetzungen zur Verbesserung der Zyklierbarkeit und der spezifischen Kapazität sowie auf die Verfeinerung der Betriebsbedingungen ¹. Fortgeschrittene In-situ-Charakterisierungsmethoden wie die Rasterkraftmikroskopie ² und die Gaschromatographie ³ werden ebenfalls eingesetzt, um tiefere Einblicke in die grundlegenden Mechanismen zu gewinnen, die zu weiteren Leistungsverbesserungen führen.

Weitere Infos finden Sie im Projekt FeEnCap.

Ansprechpartner

Dr. Yasin Emre DurmusGebäude 01.3z / Raum 4003+49 2461/61-96667

Dr. Anna WindmüllerActing Department HeadGebäude 01.3z / Raum 3009+49 2461/61-96867