Zn-Luft Batterien basierend auf neuartigen Elektrodenmaterialien für die Energiespeicherung: Von grundlegenden Aspekten bis zur Systemtechnik

• Antragsteller: Professor Dr. Axel Groß
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349887056

Metal-Luft-Batterien und speziell Zink-Luft-Batterien haben als vielversprechende elektrochemische Energiespeichertechnologie viel Aufmerksamkeit erregt aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihren geringen Kosten und ihrer hohen Sicherheit. Die technische Anwendung von Zink-Luft-Batterien wird jedoch von grundlegender Problemen behindert wie (i) dem Fehlen eines geeigneten bi-funktionalen Katalysators für die Sauerstoffreduktion/-entwicklung (engl. oxygen reduction/evolution (ORR/OER)), (ii) der Dendritenbildung während der Zink Abscheidung (Laden) an der Zink-Anode, was zu Kurzschlüssen führt, und (iii) Problemen beim Massen/Wärme-Management der Batterien, was nötig ist, um eine lange Lebensdauer der Batterien zu erreichen. Diese Probleme werden in dem vorliegendem Projekt angegangen, indem die Präparation, systematische Modifizierung und in situ Charakterisierung von realistischen bi-funktionellen ORR/OER Katalysatormaterialien und von funktionellen Zink-Anoden mit experimentellen Untersuchungen von strukturell/chemisch wohldefinierten Modelelektroden und mit Dichtefunktionaltheorierechnungen adaptiert an die elektrochemische Umgebung kombiniert werden. Anion- oder Kation-dotierte Spinell-Oxide werden vorgeschlagen als effiziente, preisgünstige bi-funktionelle ORR/OER Katalysatoren, da sie es erlauben, die chemischen Eigenschaften der aktiven Zentren (Metall-Oberflächen-Ionen) auf verschiedene Art und Weise zu variieren, was für bi-funktionelle, ORR/OER-aktive Katalysatoren erforderlich ist. Für einen verbesserten Gas- und Flüssigkeit-Transport werden neuartige poröse Gas-Diffusions-Elektroden entwickelt, bei denen der bi-funktionelle Katalysator auf einem Nickel-Schaum deponiert wird, dessen Hydrophobie durch einen hydrophobischen Polypyrrol-Film optimiert wird. Die Zn-Dendritenbildung an der Anode soll untersucht werden, indem poröse Zn-Körner präpariert werden, die in einer porösen Schalenstruktur eingebunden sind, um die Diffusion von Zn2+ Ionen zu verhindern, und indem spezifisch adsorbierende Ionen hinzugefügt werden, die das Wachstum von Zn-Dendriten verhindern sollen. Begleitend sollen optimierte Betriebsbedingungen und technische Elektrodenstrukturen wie z.B. poröse Sauerstoff-Elektroden auf der Basis von technischen Simulationen identifiziert werden und das Batterie-Design bezüglich von Massen- und Wärmetransport optimiert werden. Die Resultate dieser Strategie sollen in Halb-Zell-Messungen und Voll-Zell-Batterietests validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen