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Nachhaltige Strategien für K-Ionen Batterien

Antragstellerinnen / Antragsteller Dr. Fabian Jeschull; Professorin Dr. Daria Mikhailova
Fachliche Zuordnung Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung Förderung von 2021 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448719339
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Für Technologies zur nachhaltigeren Stromerzeugung, E-Mobilität und tragbarer Elektronik sind günstige und nachhaltige Energiespeichersysteme ein Schlüsselelement. K-Ionen Batterien (KIBs) zeichnen sich unter den potenziellen Zellchemien durch eine gute Energiedichte auf einer günstigen und gut verfügbaren Rohstoffbasis aus. Bspw. wird erwartet, dass KIBs mit Graphit/LiFePO4-Batterien konkurrieren könnten und dabei selbst Na-Ionen Batterien übertreffen. Die Entwicklung von KIBs profitiert von den chemo-physikalischen Gemeinsamkeiten anderer monovalenter Zellchemien und perspektivisch auch durch bereits bestehende Wertschöpfungsketten im Li-Ionen Bereich (z.B. für Graphitelektroden). Nähere Untersuchungen in den letzten 10 Jahre zeigen jedoch auch, dass KIBs keineswegs eine „Drop-in“-Lösung darstellen, sondern lediglich andere, element-spezifische Herausforderungen mit sich bringen. Dies umfasst z.B. die hohe Reaktivität von Kalium und dessen Interkalationsverbindungen gegenüber Elektrolytkomponenten, schlechten Passivierungseigenschaften der Solid Electrolyte Interphase (SEI), sowie Beschränkungen der Festkörperdiffusion in Aktivmaterialien. Entlang der drei Hauptzellkomponenten (negativen und positiven Elektroden sowie Elektrolyt), zielt das Projekt "Nachhaltige Strategien für K-Ionen Batterien" (KIBSS) auf langlebigere KIBs ab, durch neuartige Materialentwicklungen und dem Aufbau eines tiefergreifenden Verständnisses der Degradationswege und Materialermüdung (einschließlich Dual-Ionen-Zellkonzepten). Dies umfasst insbesondere hard carbon aus erneuerbaren Rohstoffen und Fe-basierte Berliner Blau Derivate (K2Fe[Fe(CN)6]) als Aktivmaterialien. Die Teams am IFW Dresden und KIT folgten hierbei einen komplementären Ansatz durch die Kombination von oberflächenanalytische, elektrochemischen und bulk-analytischen Methoden, u.a. an Synchrotroneinrichtungen. Die Arbeit konzentrierte sich hierbei auf die SEI-Bildung an kohlenstoffbasierten Elektroden (Graphit und hard carbon) in unterschiedlichen Elektrolytumgebungen mit dem Ziel Kapazitätsverluste durch dünnere, jedoch stärker schützende Passivierungsschichten einzugrenzen und dadurch die Lebensdauer zu steigern. Experimente in Halbzellenformaten, d.h. elektrochem. Messungen gegen K-Metall, zeigten hierbei, dass Nebenreaktionen sich signifikant auf die Proben und deshalb auf Messergebnisse auswirkten. Parasitäre Zersetzungsprodukte, die an der Kaliumelektrode entstehen, sind u.a. Ursache für Selbstentladungsprozesse von positiven Elektroden. Im Gegensatz dazu zeigten Vollzellkonfigurationen basierend auf negativen Graphitelektroden und K2Fe[Fe(CN)6] oder KVPO4F ein grundlegend anderes Alterungsverhalten. Dies stellt etablierte Testverfahren für die Untersuchung von KIBs (bzw. post-Li Zellen im Allgemeineren) in Frage. Abschließend lässt sich feststellen, dass mit Blick auf die angestrebte Lebensdauer und Energiedichten weitreichendere Strategien zum Elektrolyt- und Grenzflächendesign erforderlich sein werden, wobei konzentrierte Elektrolytsalzmischungen und schwefelbasierte Elektrolytadditive in eine vielversprechende Richtung weisen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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