Das Projekt "Teilvorhaben D: 'Li-S-Si-Batterie'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Lehrstuhl für Technische Elektrochemie durchgeführt. Der Lehrstuhl Technische Elektrochemie (TEC) der Technischen Universität München (TUM) entwickelt im Rahmen dieses Projekts zwei Optionen zur Einbringung von Lithium in Lithium-Schwefel-Silicium (Li-S-Si) Batterien via Verwendung von: 1) stabilisierten Lithiummetallpartikeln (SLMP) in Kombination mit Schwefelkathoden und Siliciumanoden oder 2) Lithiumsulfid (Li2S) Kathoden in Kombination mit Siliciumanoden. Des weiteren werden in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Moniek Tromp an der Universität Amsterdam in-situ Untersuchungen zur SEI Bildung an Siliciumelektroden in verschiedenen Elektrolyten durchgeführt, um die SEI Stabilität an Siliciumanoden für Li-S-Si oder Lithiumionen Batterien zu bestimmen. Die Aktivierung von eingebrachtem SLMP in Li/S Haibzellen wird mittels in-situ XRD und die eventuell auftretende Gasung mittels on-line Massenspektrometrie bestimmt. Im Anschluss wird die Effizienz der in-situ Lithiierung mit SLMP in Li-S-Si Vollzellen untersucht. Alternativ hierzu werden Li2S-Kathoden entwickelt, deren spezifische Kapazität und Zyklenstabilität als Funktion der Li2S Partikelgroesse (via Laserstreuung und Rasterelektronenmikroskopie (REM)) und der durch gezielte Kalandrierung erzeugten Elektrodenporosität untersucht wird. Die Aktivierung der Li2S-Partikel wird mittels in-situ XRD verfolgt. Letztlich wird die Stabilität von Li2S-Silicium Vollzellen in verschiedenen Elektrolyten untersucht. Mittels operando Röntgenabsorptions spektroskopie (XAS) wird die Speziierung der Polysulfide in Elektrolyten mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante untersucht (in Zusammenarbeit mit Prof. Tromp), um die grundlegenden Alterungsprozesse zu bestimmen. Des Weiteren wird die SEI Bildung und Stabilität an Siliciumanoden in Li-S-Si und Lithiumionen Batterien mittels Röntgenkleinwinkelstreuung bestimmt.
Das Projekt "Praxisversuche zur Abdichtung von Sand/Bentonit-Gemischen sowie von einem hochelastischen Polysulfid als Fugenabdichtung fuer Pflasterflaechen im Bereich von DK-Zapfsaeulen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bochum, Institut für Straßenwesen und Eisenbahnbau durchgeführt. Bei der Betankung von Kraftfahrzeugen an Tankstellen entstehen unvermeidbar Tropfverluste an Kraftstoffen. Diese Tropfmengen koennen Bodenverunreinigungen verursachen, sofern keine kraftstoffdichte Fahrbahnbefestigung vorhanden ist. In einer Reihe von Praxisversuchen wurden Fugenabdichtungen mit einer Fugenfuellung mit einem Sand/Bentonit-Gemisch und mit einem hochelastischen Polysulfid untersucht, mit denen die fuer Tankstellen zweckmaessigen Betonsteinpflasterdecken im Zapfsaeulenbereich kraftstoffbestaendig abgedichtet werden koennen. Die Ergebnisse der Praxisversuche zeigten, dass eine Fugenabdichtung mit einem Gemisch aus Sand und Betonit nicht zu einer befriedigenden Abdichtungswirkung fuehrt, waehrend sich Fugenabdichtungen mit hochelastischem Polysulfid als gut geeignet erwiesen haben.
Das Projekt "Immobilisierung von Schwermetallen in Boeden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Bergakademie Freiberg, Institut für Anorganische Chemie durchgeführt. Das Ziel der Arbeit besteht in der Erfassung der wichtigsten Parameter fuer eine dauerhafte Immobilisierung von Schwermetallionen in Boeden. Daraus lassen sich ausserdem Empfehlungen fuer Sanierungsmassnahmen ableiten. Die Fixierung von Schwermetallionen als Sulfide im basischen Milieu in Boeden steht im Mittelpunkt der Arbeit. Neben der Faellung ist die Adsorption an Bodenbestandteile auch im basischen Milieu von wesentlicher Bedeutung. Bodentypische Puffer-, Filter- und Transformationseigenschaften von Boeden konnten durch unterschiedliche Elutionsverfahren beruecksichtigt werden. Reversibel an Bodenbestandteile fixierte Schwermetallionen werden ueber laengere Zeit durch Sulfidionen gefaellt. Eine Auswaschung von relativ leichtloeslichen Suloden durch Sickerwaesser kann mit elementarem Schwefel, der im basischen Milieu in einer Disproportionierungsreaktion langsam in Polysulfid und Thiosulfat zerfaellt, verhindert werden. Die Sulfide des Zinks, Cadmiums und Quecksilbers sind im basischen Milieu relativ oxidationsunempfindlich gegenueber Luftsauerstoff bzw. Eisen(III)-oxiden, waehrend Blei- und Kupfersulfid in Gegenwart von Oxidationsmitteln einer vollstaendigen Oxidation unterliegen. Blei- und Kupferionen lassen sich vorteilhafter mit Calciumcarbonat als basische Carbonate faellen.
Das Projekt "MagS - Entwicklung und Herstellung von wiederaufladbaren Magnesium-Schwefel Batterien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Institut für Technische Thermodynamik durchgeführt. Ziel dieses Verbundprojektes ist die Demonstration der Leistungsfähigkeit einer neuen Energiespeichertechnologie auf der Basis von Magnesium und Schwefel in einer Industrie-kompatiblen Batteriezelle. Der Beitrag des DLR befasst sich im Wesentlichen auf der Herstellung von Schwefelkathoden für die Mg-S Batterien und mit der Charakterisierung von Batteriekomponenten durch Anwendung unterschiedlicher in situ und ex situ Techniken. Mithilfe der in-situ Röntgendiffraktometrie (XRD) können die Reaktionsvorgänge von Schwefel während der Entladung und Ladung beobachtet werden. Mit der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) werden die während des Zyklierens ablaufenden Zellprozesse und Degradationsvorgänge untersucht. Die sich bildenden Polysulfide beim Entladevorgang sowie die Endprodukte werden mittels UV-VIS-Spektroskopie untersucht. Hierbei sollen die Zwischenprodukte bei unterschiedlicher Entladungstiefe semi-quantitativ erfasst und analysiert werden. Neben experimentellen Arbeiten werden auch Modellierungs- und Simulationsaktivitäten der elektrochemischen Prozesse während der Lade- und Entladevorgängen untersucht. Es werden Kontinuumsansätze zur numerischen Simulation des Verhaltes von Batteriezellen von der Nanometerskala bis zur Zellskala untersucht. Die einsetzende Software BEST erlaubt es, durch Mikrostruktur-aufgelöste Simulationen, Korrelationen der Elektrodenstruktur und der Funktionalität von Batterien zur systematischen Entwicklung von Batterieelektroden zu bestimmen. Die Erkenntnisse fließen direkt in die Entwicklung erster Pouchzellen dieser Batterieart ein. Hierfür wurde ein spezifiziertes VDA-Format mit einer Dimension von 121 x 243 x mm ausgewählt. Die Zellen werden nach anwenderspezifischen Vorgaben belastet. Diese Belastungstests werden nach Vorgabe aus der Industrie bzw. Anwendung von DLR erstellten Lastprofilen für den elektromobilen Stadt-und kombinierten Stadt- und Landverkehr durchgeführt.
Das Projekt "Entwicklung eines energieeffizienten chemischen Verfahrens zur Herstellung neuartiger Monomere und Funktionspolymere auf Polysulfidbasis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Akzo Nobel Functional Chemicals GmbH durchgeführt. Polysulfide werden aufgrund ihrer hohen Elastizität, Temperaturresistenz, Wetterbeständigkeit und Resistenz auch gegenüber aggressiven Treibstoffen in großem Umfang beim Hochbau als Dichtmaterial im Außenbereich, zur Abdichtung von Treibstofftanks in Flugzeugen oder beim Bau von Tankstellen sowie vor allem als Grundpolymer für Dichtmassen zur Randversiegelung von Isolierglasscheiben verwendet. Durch die Wahl geeigneter Monomere können außerdem die mechanischen Eigenschaften der Polysulfide über einen weiten Bereich gesteuert werden. Aus den unterschiedlichen Anforderungsprofilen der Kunden aus den o. g. Anwendungsbereichen ergibt sich die Notwendigkeit der Entwicklung maßgeschneiderter Monomere, um die gewünschten Polymereigenschaften zu gewährleisten. Im Rahmen des Projektes sollen vor allem hocheffektive Verfahren zur energieeffizienten Herstellung von Monomeren und Oligomeren entwickelt werden. Hierbei besteht die Herausforderung, optimierte und generalisierte Synthesewege zu spezifischen Monomereneinheiten zu finden, welche eine verbesserte Struktur-Eigenschafts-Beziehung bieten.
Das Projekt "StickLiS - Stickstoffhaltige Kohlenstoffe für hochkapazitive zyklenstabile Lithium-Schwefel-Kathoden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik durchgeführt. 1. Vorhabenziel Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien aus, weisen jedoch bisher nur eine geringe Lebensdauer der Zellen auf. Aktuelle Li-S-Prototyp-Zellen erreichen eine Energiedichte von 350 Wh/kg, degradieren aber innerhalb der ersten 50 Lade-/Entladezyklen deutlich und sind daher bisher untauglich für den Einsatz in der Elektromobilität. Die Hauptursache für diese Degradation ist die Bildung von Polysulfiden bzw. deren Diffusion aus der leitfähigen Kohlenstoffmatrix zur Anode, mit welcher ungewünschte Nebenprodukte entstehen. Ziel dieses Vorhabens ist es, diese Diffusion deutlich zu minimieren, indem innovative leitfähige, stickstoffdotierte Materialien eingesetzt werden, da sie eine besondere Affinität zu Polysulfiden besitzen. 2. Arbeitsplan In diesem Vorhaben werden Vertreter dreier Substanzklassen synthetisiert, charakterisiert, mit Schwefel infiltriert, als Elektrodenmaterial skalierbar lösungsmittelfrei verarbeitet und vs. Lithium elektrochemisch getestet. Die Elektroden werden zudem mikroskopisch und spektroskopisch untersucht. Durch den objektiven Vergleich dieser Materialklassen und die komplementären Expertisen vier verschiedener Forschungsinstitute ist es möglich, fundierte Aussagen über die elektrochemischen Mechanismen zu treffen. Damit werden Nebenreaktionen, die bisher den kommerziellen Erfolg der Lithium-Schwefel-Batterie verhindern, minimiert. Zudem werden die Kenntnisse zu den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen genutzt, um die Elektrolytmenge zu minimieren.
Das Projekt "StickLiS - Stickstoffhaltige Kohlenstoffe für hochkapazitive zyklenstabile Lithium-Schwefel-Kathoden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Fachrichtung Chemie und Lebensmittelchemie, Professur für Anorganische Chemie 1 durchgeführt. Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien aus, weisen jedoch bisher nur eine geringe Lebensdauer der Zellen auf. Aktuelle Li-S-Prototyp-Zellen erreichen eine Energiedichte von 350 Wh/kg, degradieren aber innerhalb der ersten 50 Lade-/Entladezyklen deutlich und sind daher bisher untauglich für den Einsatz in der Elektromobilität. Die Hauptursache für diese Degradation ist die Bildung von Polysulfiden bzw. deren Diffusion aus der leitfähigen Kohlenstoffmatrix zur Anode, mit welcher ungewünschte Nebenprodukte entstehen. Ziel dieses Vorhabens ist es, diese Diffusion deutlich zu minimieren, indem innovative leitfähige, stickstoffdotierte Materialien eingesetzt werden, da sie eine besondere Affinität zu Polysulfiden besitzen. In diesem Vorhaben werden Vertreter dreier Substanzklassen synthetisiert, charakterisiert, mit Schwefel infiltriert, als Elektrodenmaterial skalierbar lösungsmittelfrei verarbeitet und vs. Lithium elektrochemisch getestet. Die Elektroden werden zudem mikroskopisch und spektroskopisch untersucht. Durch den objektiven Vergleich dieser Materialklassen und die komplementären Expertisen vier verschiedener Forschungsinstitute ist es möglich, fundierte Aussagen über die elektrochemischen Mechanismen zu treffen. Damit werden Nebenreaktionen, die bisher den kommerziellen Erfolg der Lithium-Schwefel-Batterie verhindern, minimiert. Zudem werden die Kenntnisse zu den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen genutzt, um die Elektrolytmenge zu minimieren.
Das Projekt "StickLiS - Stickstoffhaltige Kohlenstoffe für hochkapazitive zyklenstabile Lithium-Schwefel-Kathoden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften, Max-Planck-Institut für Festkörperforschung durchgeführt. Im Zentrum dieses Teilvorhabens steht die Synthese stickstoffhaltiger poröser Polymere und deren Optimierung als Kathoden-Materialien in Lithium-Schwefelbatterien. Zu den angestrebten Materialien gehören drei eng verwandte Materialklassen: Kovalente organische Netzwerke (Covalent Organic Frameworks, COFs), kovalente Triazin-Netzwerke (Covalent Triazine Frameworks, CTFs) und amorphe poröse organische Polymere (POPs). Ziel ist die Optimierung der Schwefeladsorption und damit -Retention in der Kathodenmatrix durch Kontrolle des Stickstoffgehaltes, Art der Stickstoff-Funktionalität und der Porosität sowie Kristallinität und Leitfähigkeit der Polymere. Außerdem sollen mechanistische Einblicke in die Schwefeladsorption auf molekularer Ebene gewonnen und für die rationale Synthese verbesserter Li-S-Kathodenmaterialien mit hoher Zyklenstabilität genutzt werden. AP 1: Materialsynthese Für den Einsatz als leitfähige Matrix in den Schwefelkathoden werden ausgewählte stickstoffhaltige poröse Polymere synthetisiert und charakterisiert. In AP 1.1 wird die Porosität, der Stickstoffgehalt, die Kristallinität sowie die Polysulfidaffinität kristalliner COFs und amorpher POPs durch die Synthese entsprechender Bausteine gezielt eingestellt. In AP 1.2 werden robuste und temperaturstabile CTFs hergestellt, deren lokale Struktur, Porosität und Carbonisierungsgrad durch die Syntheseparameter gezielt variiert werden. AP 4: Materialcharakterisierung Durch die Kombination unterschiedlicher festkörperanalytischer Methoden wird die Polysulfidaffinität der synthetisierten Materialien evaluiert und der Mechanismus der Schwefeladsorption und -retention untersucht. Desweiteren sollen Degradationsmechanismen verstanden und damit unterbunden werden. Hierzu soll die Struktur und Morphologie der Materialien durch spektroskopische (XPS, Festkörper-NMR, IR- und Raman-Spektroskopie) und mikroskopische (TEM, REM) Methoden analysiert werden.
Das Projekt "Entwicklung eines energieeffizienten chemischen Verfahrens zur Herstellung neuartiger Monomere und Funktionspolymere auf Polysulfidbasis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Koblenz, Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abteilung Chemie, Arbeitsgruppe Organische Chemie durchgeführt. Im Rahmen des Projektes sollen vor allem hocheffektive Verfahren zur energieeffizienten Herstellung von Monomeren und Oligomeren entwickelt werden. Hierbei besteht die Herausforderung, optimierte und generalisierte Synthesewege zu spezifischen Monomereinheiten zu finden, welche eine verbesserte Struktur-Eigenschafts-Beziehung bieten. Alleinstellungsmerkmal der vom Konsortium geplanten Synthesen sind zum einen die katalytische Reaktionsführung und die gleichzeitig hohe Spezifität, die niedrige Reaktionstemperaturen bei höheren Ausbeuten erlaubt. Außerdem sollen Reaktionen, die von flüssigen Reaktanden ausgehen bzw. die flüssige Produkte generieren lösungsmittelfrei durchgeführt werden. Beide Reaktionscharakteristika sind Teil einer Strategie, die Entwicklungen innovativer Produkte mit nachhaltigen Produktionsmethoden verbindet. Damit werden folgende Ziele verfolgt: Erhöhung der Rohstoff- und Energieeffizienz des Verfahrens, Vermeidung von Schadstoffaustrag in die Umwelt u.a. durch die Vermeidung von Waschschritten und die Verbesserung der Anwendungseigenschaften der Polymere im Hinblick auf die Energieeffizienz beim Anwender durch eine verringerte Dichte.
Das Projekt "Untersuchungen zur Bedeutung von Polysulfiden fuer die Trinkwasseraufbereitung (Deutsch-israelische Wassertechnologiekooperation)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Wasserchemie durchgeführt. Das Vorhaben dient der Entwicklung praxisorientierter analytischer Bestimmungsmethoden fuer Polysulfide, der Untersuchung des Auftretens und der Speziesverteilung von Polysulfiden in Grund- und Oberflaechenwaessern und ihrer Wirkungen bei der Wasseraufbereitung, insbesondere bei der H2S-Entfernung. Waehrend der Schwerpunkt des israelischen Verbundpartners auf der Entwicklung und Validierung der Bestimmungsmethode fuer anorganische Polysulfide mittels GC-MS sowie der Wirkung von Polysulfiden bei der H2S-Entfernung liegt, sollen an der Technischen Universitaet Dresden anorganische und organische Polysulfide mittels LC-MS und HPLC-FLD nachgewiesen und die Bedeutung von Polysulfiden ueber die H2S-Entfernung hinaus fuer die Wasserversorgung insgesamt untersucht werden. Zur Entstehung und zum Verhalten relevanter Polysulfide bei der Wasseraufbereitung sowie zu deren Wechselwirkung untereinander werden Laborversuche und Feldmessungen durchgefuehrt.
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