Gradientenfreie Thermo-Elektrochemische Energieumwandlung auf Basis keramischer Interkalationsmaterialien

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Michaelis
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431628538

Technische Anlagen, geothermische Quellen und der Mensch selbst geben nahezu ununterbrochen Wärme mit beträchtlichen Leistungen ab. Allerdings ist eine nachhaltige ökologisch/ökonomische Nutzung dieser Wärmequellen, unter Verwendung derzeit bestehender Technologien zur direkten Umwandlung in elektrische Energie, aufgrund des geringen Temperaturniveaus eine große Herausforderung. Als vielversprechende Alternativen werden elektrochemische Prozessen diskutiert, welche im Vergleich zu den bestehenden Technologien wesentlich effektiver und kostengünstiger sein können. Im Rahmen des Projektes soll auf Basis vielversprechender Vorversuche ein neuartiges Zellkonzept zur thermo-elektrochemischen Energieumwandlung unter Verwendung keramischer Interkalationsmaterialien erprobt werden. Dabei werden als Anode und Kathode substöchiometrische Interkalationsmaterialien (z.B. Li-, Na-, K- basiert) mit vergleichbaren Potentiallagen und möglichst hohen, entgegengesetzten Reaktionsentropien eingesetzt. Eine Temperaturänderung (kein Gradient!) der Zelle bewirkt den Aufbau einer Zellspannung entsprechend der jeweiligen Reaktionsentropien der Anoden- und Kathodenreaktionen. Die Zelle wird buchstäblich durch die Temperaturänderung geladen (analog Pyroelektrika). Während des Entladens (Energiegewinnung) werden die Wirtsgitter der Interkalationsmaterialien oxidiert bzw. reduziert und entsprechend Alkali-Metallionen aus- und eingelagert bis die Zellspannung wieder auf 0 V absinkt. Dieser Prozess ist vollständig reversibel. Nach Umpolung und Rückkehr zur initialen Temperatur kann die Zelle abermals entladen. Ein derartiges Konzept zur direkten Umwandlung von Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau in elektrische Energie könnte erhebliche Vorteile gegenüber anderer Technologien zur Abwärmenutzung bzw. Energy Harvesting bieten. In Ermangelung wissenschaftlicher Arbeiten und experimenteller Daten kann diese Aussagen derzeit allerdings nicht geprüft bzw. quantifiziert werden. Auf Basis vielversprechender Voruntersuchungen wollen die Antragsteller im Rahmen des geplanten Projektes ein fundamentales Verständnis der thermo-elektrochemischen Energieumwandlung anhand einiger typischer keramischer Interkalationsmaterialien erarbeiten. Dies beinhaltet v.a. mechanistische Fragestellungen bzgl. der Funktionsweise sowie wesentlich Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Interkalationsmaterialien und der daraus hergestellten thermo-elektrochemischen Zellen. Letztendlich soll auf der Basis der experimentellen Untersuchungen eine modellhafte Beschreibung der thermo-elektrochemischen Energieumwandlung erfolgen, welche anschließend z.B. zur Identifikation geeigneter Material- und Designeigenschaften herangezogen werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen