Material-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in bifunktionalen Elektroden für Metall-Sauerstoff-Batterien mit homogener Materialsynthese und kombinierter Operando-Analyse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Daniel Schröder
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514804331

Für die vollständige Nutzung erneuerbarer Energien sind Energiespeicher mit hoher Energieeffizienz und hoher Reversibilität dringend erforderlich. Metall-Sauerstoff-Batterien (oder Metall-Luft-Batterien) sind für diesen Zweck vielversprechend, da sie kostengünstig sind, reichlich vorhandene Materialien einsetzen sowie recycelbar und sehr sicher sind. Allerdings weisen sie eine sehr schlechte Leistung der Elektrodenmaterialien, sowohl in Bezug auf die Aktivität als auch auf die Haltbarkeit, auf. Dies ist auf die geringe katalytische Aktivität der bifunktionalen Katalysatoren zurückzuführen ist, die für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) während des Entladens bzw. Ladens an der Kathode verwendet werden. Um dieses Problem in diesen DEU-JAP-Forschungsvorhaben zu lösen, haben die japanischen Antragsteller ein innovatives zweischichtiges Design für die Sauerstoffelektroden vorgeschlagen, das die Verwendung optimierter einfunktionaler Katalysatoren anstelle von bifunktionalen Katalysatoren ermöglicht, und bewiesen, dass Aktivität und Haltbarkeit verbessert werden können. Weitere Anstrengungen sind erforderlich, um hochaktive Katalysatoren zu entwickeln und die eingesetzten Materialien besser zu verstehen. Stickstoffdotierter Kohlenstoff und geschichtete Doppelhydroxide sind als vielversprechende ORR- und OER-Katalysatoren bekannt, aber ihre Optimierung war aufgrund der durch die herkömmlichen Synthesemethoden verursachten Inhomogenität der Zusammensetzung eine Herausforderung. Hier schlagen die japanischen Antragsteller neuartige, auf Materialwissenschaft basierende Synthesemethoden vor, um die Inhomogenität zu minimieren. Andererseits muss, selbst wenn verbesserte Katalysatoren entwickelt werden, das Design der Elektrodenschichten weiter besser verstanden werden, um jedem optimierten Katalysator gerecht zu werden. Dazu ist es notwendig, experimentelle und modellgestützte Methoden zu entwickeln, um genau zu verstehen, welche Reaktionen in den Elektroden ablaufen könnten. Dies wird vom deutschen Antragsteller realisiert; es existierten Vorerfahrungen zum Verständnis solcher Phänomene vorweisen, darunter nichtlineare elektrochemische Impedanzspektroskopie (NEIS), hydrodynamische lineare Sweep-Voltammetrie (HLSV) mit rotierenden Ringscheibenelektroden (RRDE), akustische Flugzeitmessungen (AE), Röntgentomographie und operando-Röntgendiffraktometrie. Darüber hinaus ist die deutsche Seite in der Lage, physikalisch-chemische Modellierungen durchzuführen, um einen besseren Einblick in die ablaufenden Prozesse zu erhalten. Dementsprechend hat die Zusammenarbeit zwischen den japanischen und deutschen Antragstellern das Ziel, den fundamentalen Grundstein für eine hochaktive und langlebige Elektroden-Technologie für Metall-Sauerstoff-Batterien zu legen. Das gewonnene Verständnis über die Technologie und Methodik kann potenziell auf anderen Technologien wie Brennstoffzelle und Elektrolyse übertragen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Kooperationspartner: Professor Hajime Arai; Professor Atsunori Ikezawa; Professor Keiko Waki
• Mitverantwortlich(e): Dr. Katja Kretschmer