Das Projekt "MeLuBatt: Frischer Wind für Metall/Luftsauerstoff-Batterien - Was man von Lithium-Ionen Batterien lernen kann" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-9: Grundlagen der Elektrochemie durchgeführt. Die Umsetzung der Energiewende in Deutschland erfordert den Einsatz von Energiespeichern mit hoher Kapazität. Metall-Luftsauerstoff-Batterien (MLB) zeigen dabei ein hohes Potential in Bezug auf die Energiedichten. Zielsetzung des APs ist die Entwicklung von Al-Si-Zn Anoden für Metall-Luft Batterien, die in Verbindung mit Additiven verringerte Korrosion, reduzierte Wasserstoffentwicklung und weniger Verluste bei der Transformation der Anoden in elektrische Energie aufweisen. Eine zentrale wissenschaftliche Fragestellung ist dabei in wie weit elektrochemische Wechselwirkungen zwischen den Komponenten in den Anoden bestehen. Ein zweites Gebiet für die Forschungsarbeiten ist das Zusammenwirken zwischen Anode und Elektrolyt in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung der Anode und deren Oberflächenmorphologie. Aus den Analysen werden Kombinationen von Anodenlegierung, Elektrolyt und Additiv identifiziert, und damit effizientere MLBs hergestellt und getestet. Ansätze zur Verringerung der Korrosion in Anoden von MLBs werden in vier Arbeitspaketen untersucht. In AP 2.2.1 werden ausgewählte Legierungen im System Al-Si-Zn mit Schmelzverfahren hergestellt, zu Anoden präpariert und deren elektrochemische Eigenschaften und Korrosionsneigung charakterisiert. Aus diesen Basislegierungen werden die für einen Batteriebetrieb mit geringer Korrosion geeigneten Materialien identifiziert. In AP 2.2.2. werden an diesen Legierungen weitere korrosionsmindernde Modifikationen durch Zulegierung weiterer Komponenten oder Beschichtungen vorgenommen. Dabei werden in AP 2.2.3 der Zustand der Grenzflächen zwischen Anode und Elektrolyt sowie die Auswirkungen der Oberflächenmorphologie auf das elektrochemische Verhalten und die Korrosion en-detail analysiert. Parallel zu den Arbeiten an den Anodenlegierungen wird in AP 2.2.4 an der Identifikation von Additiven zum Elektrolyten, die sich für eine Verminderung der Korrosion in den MLBs eignen gearbeitet.
Das Projekt "MeLuBatt: Frischer Wind für Metall/Luftsauerstoff-Batterien - Was man von Lithium-Ionen Batterien lernen kann" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg durchgeführt. Im Projekt MeLuBatt werden verschiedene Metall-Luft-Batteriesysteme als mögliche Hochenergie-Batteriekonzepte erforscht. Im Fokus des Teilvorhabens des ZSW stehen die Systeme Mg/O2 und Ca/O2. Es sollen Elektrolyte, die sich sowohl für die O2-Kathode als auch die Metall-Anode eignen, identifiziert und ein genaues Verständnis für die Elektrodenreaktionen und Nebenreaktionen in diesen Elektrolyten erarbeitet werden. Aufbauend auf den daraus gewonnenen Erkenntnissen sollen ein Vollzellenkonzept entwickelt, die O2-Kathode entsprechend optimiert und schließlich eine Vollzelle aufgebaut und charakterisiert werden. Abschließend soll das System im Vergleich zu anderen Metall-Luft-Systemen bewertet werden. - Identifizierung von Elektrolyten für Mg/O2- und Ca/O2-Batterien, in denen sowohl die O2-Elektrode reversibel arbeitet, als auch die Metallabscheidung und -auflösung mit hoher Reversibilität möglich ist. - Charakterisierung dieser Elektrolyte in Hinblick auf ihre physikalisch-chemische und elektrochemische Eigenschaften. - Erarbeiten eines genauen Verständnisses für die ORR, OER und mögliche Nebenreaktionen in Mg2+- und Ca2+-haltigen Elektrolyten unter Zuhilfenahme elektrochemischer und spektroskopischer Methoden. - Untersuchungen zur Metallabscheidung und -auflösung. - Evtl. Evaluierung von Konversionsmaterialien als mögliche Alternativen zur Metall-Anode. - Optimierung der Struktur der O2-Elektrode. - Aufbau einer Vollzelle Mg/O2 oder Ca/O2. - Vergleichende wissenschaftliche und technische Bewertung des Mg/O2- oder Ca/O2- und der anderen Metall/O2-Systeme - gemeinsam mit der JLU und den anderen Projektpartnern.
Das Projekt "MeLuBatt: Frischer Wind für Metall/Luftsauerstoff-Batterien - Was man von Lithium-Ionen Batterien lernen kann" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Justus-Liebig-Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut durchgeführt. Im Verbundprojekt MeLuBatt werden Elektrolyte, Anoden- und Kathoden-Materialien für Li-, Na-, Zn-, Mg-, Ca-basierte Metall-Sauerstoff-Batterien (MLB) systematisch untersucht, um Phänomene der Elektrolyt- und Elektrodendegradation gezielt zu verstehen und zu vermindern. Dabei werden bekannte Ergebnisse zur Degradation von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) (Elektrolyt, Gasentwicklung, Dendritenbildung) einbezogen, wodurch die Erforschung von MLB stark befruchtet werden soll. Die bisher übersehene Querverbindung der Sauerstoff-Redoxchemie von MLB zum Verhalten von Oxidkathoden in LIB soll untersucht werden. Ziele sind das tiefere Verständnis der Dendritenbildung, die Erhöhung der Zyklenstabilität der Zellen, sowie der Einsatz von effizienten und stabilen Gasdiffusionselektroden. Relevante MLB (Li-, Na-, Zn-, Mg- und Ca-basierte Systeme) sollen hinsichtlich der realisierbaren Energie- und Leistungsdichte untersucht werden, um die vielversprechendsten MLB zu identifizieren und zu optimieren
Das Projekt "MeLuBatt: Frischer Wind für Metall/Luftsauerstoff-Batterien - Was man von Lithium-Ionen Batterien lernen kann" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik durchgeführt. Metall-Luft-Batterien (MLB) basieren auf der Umwandlung/ Auflösung einer Metallelektrode, was zu einer Volumenänderung der Elektroden und damit einer Änderungen der Dreiphasengrenze aufgrund des verdrängten Elektrolytvolumens und der Produktabscheidung führt. Hohe Energiedichten verursachen daher starke Änderungen der Elektroden-Struktur und Elektrolytlevel und können zu Limitierungen des Stofftransports führen. In diesem Projekt soll am Beispiel der Li/O2-Batterie der Effekt dieser Änderungen auf die Leistungsfähigkeit der Kathode modellbasiert analysiert und quantifiziert werden. Weiterhin wird der Effekt von Redoxmediatoren auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Physikochemische Simulationen werden begleitet von gezielten Experimenten; zusammen bieten diese einen tiefen Einblick in den Zustand der Zelle und die limitierenden Prozesse. Schließlich werden die Ergebnisse auf weitere MLB extrapoliert. Ziel ist es, Grenzen der Leistungsfähigkeit der betrachteten Zellen systematisch zu erfassen und Wege zum Erreichen der Idealwerte aufzuzeigen
Das Projekt "Metall/Luft Systeme, insbesondere Al/-Si/Luft Batterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Berlin, Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien, Forschungsschwerpunkt Technologien der Mikroperipherik durchgeführt. Im Projekt AlSiBat sollen grundlegende Forschungen zu neuen Metall-Luft Batterien als elektrochemische Speicher gemacht werden. Dabei werden die Erkenntnisse zu Zn/Luft - und Li/Luft aufgearbeitet und gegenüber gestellt, und die noch wenig erprobten Al/Luft - und Si/Luft Batterien untersucht und weiterentwickelt. Hierbei sollen Eigenschaften wie Wiederaufladbarkeit, Zyklenfestigkeit und Umweltverträglichkeit der jeweiligen Komponente systematisch untersucht werden. Die TU Berlin wird 3D- und Mikrostrukturierungen für Metall- und Si-Anoden untersuchen, Mikrotestzellen für statistische Untersuchungen sowie für in-situ Messverfahren entwickeln und Vollzellen als Demonstratoren aufbauen. Dazu wird das reaktive Ionenätzen und Mikrogalvanik eingesetzt. Ein Schwerpunkt ist die Untersuchung der Anoden in Kontakt mit einem aus ionischen Flüssigkeiten bestehenden Elektrolyten.
Das Projekt "MeLuBatt: Frischer Wind für Metall/Luftsauerstoff-Batterien - Was man von Lithium-Ionen Batterien lernen kann" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM durchgeführt. Im Hinblick auf die GVB wird im Teilvorhaben 'Design und Herstellung stabiler Gasdiffusions-elektroden' seitens des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) der Einfluss, die Auswahl und Strukturierung der Kathoden auf die Metall/Luft-Systeme untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Evaluierung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden aller im Gesamtprojekt betrachteten Systeme. Ziel ist es, für die unterschiedlichen im Projekt untersuchten Metall/Luft-Systeme ideale Gasdiffusionselektroden (GDE) zu entwickeln und diese unter Betriebsbedingungen zu testen. Dabei ist es wichtig die Anforderungen der jeweiligen Systeme zu berücksichtigen. Die bei der Entladung der Zellen entstehenden Produkte im Elektrolyten können dabei löslich oder unlöslich sein und lagern sich in der GDE ab. Im letzteren Fall muss die GDE so ausgelegt sein, dass sie möglichst große Mengen an Entladeprodukt aufnehmen kann und eine Verstopfung vermieden wird. Entscheidend ist auch die Wechselwirkung zwischen den verwendeten Lösungsmitteln und der Oberfläche der GDE. Letztere muss so funktionalisiert werden, dass sie den gewünschten Benetzungs- bzw. Füllgrad mit dem Elektrolyten ermöglicht. Als Modellmaterial wird hierbei auf die Kohlenstoff-Xerogele zurückgegriffen, die sich durch Variation der Syntheseparameter mit unterschiedlichen Porengrößen herstellen lassen.
Das Projekt "Metall/Luft-Systeme, insbesondere Al- und Si-Luft Batterien: Elektrochemie der Anodenmaterialien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technischen Universität Clausthal, Energie-Forschungszentrum Niedersachsen durchgeführt. In diesem Teilprojekt sollen für die Entwicklung von Silizium-/und Aluminium-Luft-Batterien, die bei praktisch unbegrenzter Verfügbarkeit der Elemente mit Energiedichten von bis zu 5 kWh/kg große Energiemengen günstig speichern könnten, grundlegende Untersuchungen an den Anodenmaterialien durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden Aluminium und Silizium elektrochemisch aus ion. Flüssigkeiten abgeschieden und im direkten Vergleich mit Zink als Anoden in Testzellen verwendet. Neben einer grundlegenden Charakterisierung der Oxidationsreaktionen sollen Primärzellen gebaut und getestet werden und danach Wege aufgezeigt werden, Sekundärzellen zu konstruieren. Für das Teilziel Silizium/Luft-Batterien werden Siliziumanoden mit ion. Flüssigkeiten elektrochemisch hergestellt; sowohl als unstrukturiertes Volumenmaterial als auch als makroporöse Elektroden und Nanodrahtelektroden. Das so hergestellte amorphe Silizium ist hochreaktiv gegenüber Sauerstoff, eine Grundvoraussetzung für Silizium/Luft-Batterien. In analoger Vorgehensweise werden Aluminiumanoden elektrochemisch hergestellt, wobei solches Al reaktiver ist als metallurgisches Al. Bei beiden Anodenmaterialien wird die Kinetik der Sauerstoffoxidation unter Modellbedingungen und in primären Testzellen untersucht, unterstützt durch Verfahren der Oberflächenchemie und -physik. Beim System Zink/Luft werden neue wässrige Elektrolyte basierend auf pH-neutralen ion. Flüssigkeiten im Hinblick auf die Reversibilität der Zellen optimiert.
Das Projekt "Hochtemperatur- und Energiematerialien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-1: Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren durchgeführt. Das aus 6 Einzelprojekten bestehende Gesamtprojekt soll wesentliche wissenschaftliche Beiträge zur Minderung der Treibhausgasemissionen und zur Verbesserung der Nachhaltigkeit der Energieversorgung mit dem Fokus auf Deutschland und den USA leisten. Dazu werden im Bereich Kraftwerkstechnik werkstoffkundliche Themenstellungen zur Entwicklung von Schutzschichten, Schweißverbindungen und Membranen zur CO2-Abscheidung sowie zur Modellierung der Oxidation von Hochtemperaturlegierungen bearbeitet. Die Ergebnisse der Arbeiten ermöglichen eine Wirkungsgradsteigerung sowie eine Klimagasreduzierung. Außerdem tragen sie zur Erhöhung der Last- und Brennstoffflexibilität bei, die eine zunehmende Bedeutung bei der Nutzung von erneuerbaren Energieträgern spielt. Der Aspekt der verstärkten Nutzung von erneuerbaren Energien wird auch bei den 2 Projekten zur elektrochemischen Speicherung bearbeitet, in denen langfristige Ansätze zur Entwicklung von Li-Ionen und Metall-Luft Batterien untersucht werden. Die geplanten Arbeiten werden zusammen mit dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL) durchgeführt, das in etwa gleiche Ressourcen wie die deutsche Seite zur Verfügung stellen wird und damit eine Budgetverdopplung ermöglicht mit gleichzeitiger Nutzung der komplementären ORNL-Kompetenzfeldern. Durchgeführt werden die Arbeiten von je einem Doktoranden mit Unterstützung von Technikern und Wissenschaftlern, regelmäßige Telekonferenzen und Workshops gewährleisten den Austausch mit der amerikanischen Seite.
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