Wiederaufladbare Aluminiumionenbatterien mit hoher Energiedichte – Fundamentales Materialdefekt-Engineering mit kontrollierten Grenzflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Strasser
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445927957

Der heutige Bedarf an Elektrizitätsspeicherkapazität erfordert neue wissenschaftliche Ansätze für sekundäre Batterien. Aluminiumbatterien stellen dank ihrer sehr hohen theoretischen volumetrischen Energiedichte, ihrer geringen Kosten, der Verfügbarkeit von Al, und der hohen Sicherheit eine attraktive Alternative dar. Ein wichtiges Merkmal der Al3+ Interkalationschemie ist die hohe Ladungsdichte, die sein Verhalten im Elektrolyten, als auch die reversible Einlagerung in Wirtsgitter beeinflusst und damit die effektive Energiedichte diktiert.Dieses Deutsch-Französische Gemeinschaftsprojekt untersucht fundamentale und praktische Aspekte der Synthese, Stabilität, Interkalationskinetik und Zellimplementierung von neuen Elektrodenfunktionsmaterialien und deren Grenzflächenprozesse für Hochenergie Aluminiumbatterien. Die Untersuchung wird sich arbeitsteilig auf verschiedene Aspekte der Zellmaterialien und Zellprozesse konzentrieren, wie die Chemie der positiven Elektrode, die Elektrolyte/Elektroden Grenzflächen, und die Al Interkalationsdynamik. Basierend auf jahrelangen gemeinsamen Vorarbeiten zu den Titanoxiden, stehen nun als Elektrodenmaterialien kationen-defekte Eisen-basierte Oxide im Vordergrund. Kationische Lehrstellen besitzen die Eigenschaft, Al Ionen reversible einlagern zu können. Gleichzeitig werden physikochemische Eigenschaften sowie die elektrochemische Eignung ausgewählter Elektrolyte in Verbindung mit den neuen Elektrodenmaterialen untersucht. Die Al Interkalation wird mit Hilfe von ex-situ und in-situ Techniken (X-ray Absorption, Kernspinmagnetresonanz, Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie, X-ray Streuung und Paarverteilungsfunktionen u.a.) räumlich und zeitlich aufgelöst charakterisiert werden.Mit seinem Defekt-engineering Ansatz wird Prof. Damien Dambournet (Sorbonne) neue oxidische Interkalationsverbindungen mit hoher Leerstellendichte generieren. Dabei stehen z.B. Eisenspinell Oxide im Interesse die nach Dotierung mit Molybdän die Bildung von kationischen Defekten zeigen. Prof. Peter Strasser wird das dynamische elektrochemische Verhalten der Elektrodenmaterialien untersuchen, wie z.B. die Al Interkalation, die Bildung und Veränderung von Grenzschichten und ihr chemischer Zustand und lokale und langweitreichende Struktur sowie das funktionale Verhalten in Einzelzellen. Beziehungen zwischen Synthese, Defektdichte, und elektronischer und geometrischer Struktur der Materialien und ihres Interkalationsverhaltens werden erarbeitet.Das Forschungsprojekt generiert und profitiert von Synergien zweier führenden Universitäten. Dabei baut es auf eine enge und sehr erfolgreiche Zusammenarbeit der vergangenen 5 Jahre auf. Projektergebnisse werden neue fundamentale und praktische Erkenntnisse zur Al Interkalationschemie in defekten Oxiden und deren Zellprozesse umfassen. Diese werden einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung einer sicheren und nachhaltigen Technologie der Aluminiumbatterie liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Damien Dambournet