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Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte

Das Projekt "Materialien und Komponenten für Batterien mit hoher Energiedichte" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-1: Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren durchgeführt. Am Forschungszentrum Jülich sollen vier Themenschwerpunkte bearbeitet werden, welche in den Wingzentren 1, 2 und 4 eingegliedert sind. Im Wingzentrum I sind die Gruppen 'Van Gestel' (IEK-1), 'Uhlenbruck' (IEK-1) und 'deHaart' (IEK-9) eingegliedert. Dünnschicht-Festkörperelektrolyte (Glas oder Keramik) und Schutzschichten für Li-Luft Batterien mittels nasschemischer Verfahren (Sol-Gel) bzw. Gasphasenabscheidung (PVD) sind der Forschungsschwerpunkt der ersten beiden Gruppen. Die Gruppe 'deHaart' entwickelt schwerpunktmäßig 3D-Strukturierte Kathoden aus Oxidkeramischen Werkstoffen. Im Wingzentrum II werden Mikrostrukturveränderungen von der Gruppe 'Markus' (IEK-2) charakterisiert und modelliert um die grundlegenden Prozesse identifizieren und besser verstehen zu können. Im Wingzentrum IV wird die Gruppe 'Buchkremer' (IEK-1) intensiv mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Mie Universität Japan an der dort entwickelten Li-Luft Zelle auf Wasserbasis arbeiten. Die dort als Prototyp vorhandene Zelle soll dabei am IEK-1 mit Hinsicht auf den Fest-/ Polymer-schichtelektrolyt optimiert werden. In Kooperation mit den beteiligten Partnern werden Materialien entwickelt bzw. verwendet um Halb- bzw. Vollzellen herzustellen. Diese werden elektrochemisch Charakterisiert und hinsichtlich ihrer Zellperformanz und strukturellen Stabilität bewertet. Diese Erkenntnisse fließen dann wieder in die Material- bzw. Zellherstellung (z.B. Dünnschichtelektrolyt, 3D-Kathode, etc.).

Lithium-Batterien mit Luftelektrode

Das Projekt "Lithium-Batterien mit Luftelektrode" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg durchgeführt. 1. Vorhabenziel Lithium-Luft/Sauerstoffbatterien haben zwar ein großes Potential wegen der theoretisch hohen Energiedichte; trotz intensiver Entwicklungsarbeiten ist ein wirklicher Durchbruch bislang nicht erzielt worden. Ziel dieses Vorhabens ist es, die Lücken bei den Grundlagenkenntnissen zu schließen und Strategien für die Realisierung von Lithium-Luft/Sauerstoffsystemen zu entwickeln. Die Realisierbarkeit soll anhand einer Prototypzelle demonstriert werden. 2. Arbeitsplanung Gearbeitet werden soll in diesem Verbund zum einen an dem mit einem rein organischen, aprotischen Elektrolyten arbeitenden Batterietyp. Es kann sich dabei als sinnvoll erweisen, die Lithiumelektrode durch eine Li-ionenleitende Membran vor Reaktionen mit dem durch den Elektrolyten diffundierenden, von der Luftelektrode stammenden Sauerstoff zu schützen. Zum anderen soll auch versucht werden, mit wässrigen, alkalischen Elektrolyten zu arbeiten; hier sind die erreichbaren Stromdichten wesentlich höher, aber auch die Anforderungen an die Stabilität der Membran sind größer. Es soll weiter eruiert werden, ob sich die Vorteile beider Konzepte kombinieren lassen, indem ein organischer Elektrolyt verwendet wird (mit der Folge einer höheren Stabilität der Membran), der aber genügend Wasser enthält, um die Reaktion ähnlich schnell wie in wässrigen Elektrolyten ablaufen zu lassen. Wesentlich für den Erfolg des Projekts ist die Entwicklung verbesserter Elektrodenmaterialien (Katalysatoren) und Elektrolytsysteme sowie der Membran.

Theoretische Untersuchungen der Sauerstoff-Reduktion in nichtwässriger Lösung in Hinblick auf Lithiumbatterien

Das Projekt "Theoretische Untersuchungen der Sauerstoff-Reduktion in nichtwässriger Lösung in Hinblick auf Lithiumbatterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Ulm, Fachbereich Chemie, Institut für Theoretische Chemie durchgeführt. Die Sauerstoffreduktion in nichtwässriger Lösung ist der wichtigste, und bisher weitgehend unverstandene, Elementarschritt in Lithium-Luft Batterien. Diesen Schritt wollen wir theoretisch aufklären, wobei folgende Methoden zum Einsatz kommen: Dichtefunktionaltheorie (DFT) und Molekulardynamik (MD). Die Ergebnisse werden in einer von begründeten Theorie zur Elektrokatalyse verwendet. Zur Anwendung in nichtwässriger Lösung muss unsere Theorie weiterentwickelt werden. Ziel dieses Antrags ist vor allem der Austausch von wissenschaftlichen Personal. Neben den beiden Antragsstellern sollen junge Wissenschaftler für längere Zeit den jeweiligen Partner besuchen, dort an dem Projekt arbeiten und gleichzeitig neue Methoden kennenlernen. Das Projekt soll gleichzeitig der Vorbereitung einer größeren deutsch-argentinischen Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Lithiumbatterien dienen. Dazu werden wir uns mit argentinischen Kollegen auf einer Tagung in Buenos Aires beraten. Das Projekt lässt sich in folgende Aufgaben einteilen: (1) DFT Rechnungen für Sauerstoff an diversen Elektrodenmaterialien; hier wird die Energie und die Zustandsdichte des Sauerstoffs vor einer Metallelektrode als Funktion des Abstands berechnet. (2) Entwicklung eines Kraftfelds für DMSO vor den Elektrodenmaterialien. (3) Simulationen für Sauerstoffionen in DMSO, insbesondere Berechnung des Potential der mittleren Kraft (pmf). Dieses beschreibt die Änderung in der freien Solvatisierungsenergie, wenn sich das Ion der Elektrode nähert. (4) Berechnung der Potentialfläche für den ersten Schritt der Reduktion von Sauerstoff; daraus wird die Aktivierungsenergie und schließlich die Reaktionsgeschwindigkeit berechnet. Dies erlaubt uns zu bestimmen, welche Bedingungen günstig sind. (5) Betrachtung von Folgereaktionen. In der zur Verfügung stehenden Zeit können wir nur verschiedene Möglichkeiten ausloten.

Lithiumbatterien mit Luftelektrode

Das Projekt "Lithiumbatterien mit Luftelektrode" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Offenburg, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Medien Offenburg, Institut für Energiesystemtechnik durchgeführt. Lithium-Luft/Sauerstoffbatterien haben zwar ein großes Potential wegen der theoretisch enorm hohen Energiedichte; trotz intensiver Entwicklungsarbeiten ist ein wirklicher Durchbruch bislang aber nicht erzielt worden. Ziel des Gesamtvorhabens LiBaLu ist es, die Lücken bei den Grundlagenkenntnissen zu schließen und Strategien für die Realisierung von Lithium-Luft-Batterien zu entwickeln. Ziel des LiBaLu-Teilprojekts Modellierung und Simulation ist die Unterstützung der Elektroden- und Zellentwicklung mit Hilfe umfangreicher Computersimulationen im Sinne des computergestützten Engineering (CAE). Zum einen soll das mechanistische Verständnis der komplexen Elektrochemie in Lithium-Luftbatterien durch mikrokinetische Modelle aufgeklärt werden. Auf Basis von postulierten Mehrschrittmechanismen werden makroskopische Eigenschaften (Entlade-/Ladekennlinien, Cyclovoltammogramme, elektrochemische Impedanzspektren) vorhergesagt und mit experimentellen Daten der Projektpartner verglichen. Zum anderen soll das Design der Prototypzelle mit Hilfe numerischer Simulationen untersucht und optimiert werden. So können z. B. optimale Schichtdicken oder die Rolle von Gastransportlimitierungen identifiziert werden. Im Ergebnis tragen die Arbeiten im Teilprojekt maßgeblich zur Erreichung der Gesamtprojektziele bei, indem die empirischen experimentellen Untersuchungen der Projektpartner mit einer theoretischen Basis untermauert werden.

PowerLab: Entwicklung elektrischer Luftfahrantriebe - Bavarian International Campus Aerospace and Security; Entwicklung einer Technologieplattform für elektrisches Fliegen - Vorbereitung von Demonstrationsprojekten für mittlere Leistungsklassen

Das Projekt "PowerLab: Entwicklung elektrischer Luftfahrantriebe - Bavarian International Campus Aerospace and Security; Entwicklung einer Technologieplattform für elektrisches Fliegen - Vorbereitung von Demonstrationsprojekten für mittlere Leistungsklassen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, School of Engineering and Design, Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES) durchgeführt. Gesamtziel des Vorhabens PowerLab ist die Bildung eines Kompetenzcenters für hybride und vollelektrische Luft- fahrtantriebe. Die TU München ist an diesem Verbundvorhaben in einem Teilprojektvorhaben mit drei Lehrstühlen beteiligt (EES, EWT, LLS). Der Lehrstuhl für elektrische Energiespeichersysteme (EES) ist im Arbeitspaket Energiespeicher eingebunden. Hierbei werden insbesondere eine systematische mathematische und stochastische Beschreibung der Ausfallwahrscheinlichkeiten eines Batteriemoduls, sowie eine Betrachtung der Ursachen und Abhängigkeiten plötzlicher Batteriesystemausfälle, durchgeführt. Hierbei finden auch Zukunftstechnologien, wie Lithium-Luft Beachtung. Des Weiteren werden Möglichkeiten zur Diagnose. Prädiktion und Vermeidung solcher Ausfälle untersucht. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse soll ein Demonstrator-Modul aufgebaut werden, welches hinsichtlich Leistungs- und Energiedichte als auch Zuverlässigkeit optimiert ist.

HiPoCat: Highly Porous Cathodes for Lithium Air Batteries

Das Projekt "HiPoCat: Highly Porous Cathodes for Lithium Air Batteries" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von AIT Austrian Institute of Technology GmbH durchgeführt. Der fortschreitende Energiebedarf bringt aktuelle Energiespeichersysteme an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Post-Interkalationstechnologien wie die Li-Luft Batterie stellen neue Batteriekonzepte mit erhöhter Kapazität dar. Das Hauptziel des Projektes (HiPoCat) ist die Evaluierung von Metall-Organic-Frameworks (MOFs) und Zeolitic-Imidazolate-Frameworks (ZIFs) als Ausgangsmaterialen für zukünftige Kathodenmaterialien mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit, Kapazität und Ratenfähigkeit für Gasdiffusionselektroden. Eine große Herausforderung ist die Wärmebehandlung der MOFs und ZIFS, wobei diese in elektrisch leitfähige Porous N-doped Carbons (PNCs) und Titancarbide (TiC) umgewandelt werden sollen, während ihre intrinsische Porosität erhalten bleibt.

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