ACTEnglish version
Übergeordnetes
BMBF
Kristallphysik 2.5.2016

Professor Dr. Dirk C. Meyer und Dr. Tilmann Leisegang bei der elektronischen Charakterisierung eines Oxidkristalls.
© Detlev Müller/ TU Bergakademie Freiberg

Zukunftskonzept elektrochemischer Energiespeicher

Im Projekt CryPhysConcept entwickelten Forscher ein Zukunftskonzept für elektrochemische Energiespeicher sowie dessen Umsetzung und Heranführung an den Markt. Dabei sollen moderne Methoden der Kristallographie, der Kristallchemie, der kristallphysikalischen Struktur- und Eigenschaftsvorhersage sowie der Präparation und Analyse im Zentrum der Arbeiten des Verbundprojekts stehen.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Speichereffekt Temperaturänderung (sensible Wärme), Phasenwechsel (Latentwärme), Sorption (Ad-/Absorptionswärme), reversible chemische Reaktionen (Redoxreaktionen)
Entwicklungsgegenstand Speichermedium – Speicherkonstruktion, Be-/Entladeeinrichtungen und Hilfseinrichtungen sind Gegenstand der aktuellen Forschung; Aufstellung eines Bewertungsalgorithmus für Materialien im Bereich elektrochemischer Energiespeicher unter Berücksichtigung der Ressourcenverfügbarkeit, Umweltverträglichkeit und des Recyclings. Neue Materialien für Interkalation und Ionenleitung unter Nutzung kristallographischer Methoden und für multivalente Ionen. In situ/in operandi Studien
Projektlaufzeit Oktober 2012 bis April 2016

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist es, einen Beitrag zur verstärkten Nutzung von erneuerbaren Energieträgern zu leisten sowie eine Erweiterung und Verbesserung der grundlegenden Verständnisse zur thermischen, elektrischen und stofflichen Speicherung von Energie.

Elektrochemische Energiespeicher sind, neben ihrer Bedeutung für die Elektromobilität, insbesondere für den Ausbau dezentraler stationärer Anwendungen im Zusammenhang mit regenerativer Stromerzeugung unerlässlich. Dies betrifft neben der Gewährleistung der Netzstabilität besonders den Ausbau regional autarker Energieversorgung.

  • Aufbau zur Vermessung kristallphysikalischer Kopplungsphänomene kondensierter Materie: Zu sehen ist eine Vakuumkammer, an der verschiedene Messgeräte und Manipulatoren angeschlossen sind. © Sven Jachalke
  • Die Messgeräte bestimmen kristallphysikalische Kopplungskonstanten kondensierter Materie. © Sven Jachalke
  • Diffraktometer für Strukturuntersuchungen mittels Röntgenstrahlung. Hiermit kann der kristalline Aufbau von Materie, die Atomanordnung, Charakterisiert werden. Auf dieser Skala werden wichtige elektronische Eigenschaften festgelegt. © Sven Jachalke
  • Labormuster zur Wandlung thermischer Energie in Licht © Sven Jachalke
  • Labormuster zur Wandlung thermischer Energie in hochwertige elektrische Energie mittels kristallphysikalischer Kopplungsphänomene unter Nutzung oxidischer Kristalle. © Sven Jachalke
  • Professor Dr. Dirk C. Meyer und Dr. Tilmann Leisegang bei der elektronischen Charakterisierung eines Oxidkristalls. © Detlev Müller/ TU Bergakademie Freiberg
  • Röntgenspektroskopische Messkurve zur Gewinnung von Informationen zur Kristallstruktur: Die Messkurve zeigt ein Silizidkristalls mit besonderer Fehlordnung. © Tilmann Leisegang
  • Die Abbildung zeigt den Aufenthaltsort der Elektronen in einem Silizidkristall bei Raumtemperatur. Dargestellt ist ein Schnitt der Elementarzelle (schwarzes Rechteck), welcher aus Röntgenbeugungsdaten  rekonstruiert wurde. Die Konturlinien entsprechen Linien konstanter Elektronendichte und folgen einer logarithmischen Skalierung. Farblich hervorgehoben sind die Maxima der Elektronendichte (rot), welche die Positionen der Atome im Kristall angeben. © Tilmann Leisegang/ TU Bergakademie Freiberg
  • In-situ-Messkammer zur temperaturabhängigen Vermessung elektronischer Parameter und der Kristallstruktur, auch unter Einwirkung externer Felder. Zu sehen ist die geöffnete Kammer, in der ein Heizelement, eine Dünnschichtprobe und verschiedene Sensoren angeordnet sind. © Sven Jachalke
  • Charakterisierung einer Probenserie (Komponenten einer Na-S-Zelle) in der Analysekammer eines Röntgenfluoreszenzspektrometers zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung. © Sven Jachalke
  • Kontrollleuchte eines Röntgendiffraktometers zur Charakterisierung des Aufbaus dünner Schichten. © Sven Jachalke

Das Projekt lässt sich in drei Realisierungsphasen unterteilen.

  1. In der sechs-monatigen Anschubphase: Vorstellung und Diskussion der mögl. innovativen Konzepte in internen Workshops und Ausarbeitung der Konzepte/Ideen sowie deren Überführung in Patente und konkretisierte Projektbausteine
  2. Zwölf-monatige Grundlagenphase: Bearbeitung der in den Projektbausteinen definierten wissenschaftlichen Fragestellungen. Am Ende dieser Phase findet eine Evaluierung statt, anhand derer die konkrete Ausgestaltung der Labormuster und Proof-of-Concept-Modelle festgelegt sowie diesbezüglich weitere Forschungsschwerpunkte definiert werden.
  3. Das Projekt befindet sich derzeit in der Transferphase, die 18 Monate dauern wird: Technologieentwicklung bis hin zu Labormustern und Proof-of-Concept-Modellen. Initiierung gemeinsamer Transfer- und FuE-Vorhaben mit Industrie- und Forschungspartnern.

Fokus von CryPhysConcept

Neben Beiträgen zur Fortentwicklung etablierter Technologien zielt das Vorhaben zentral auf die Bereitstellung von Modellen, die voraussichtlich vollkommen neue Systeme darstellen werden. Bezüglich der Leistungsparameter und dem erforderlichen Lastmanagement sollen diese ideal auf die Anwendungsfälle autarker Energieversorgungssysteme in Zusammenhang mit regenerativer Stromerzeugung unter Berücksichtigung strategischer Ressourcen-, Umwelt- und Kostenfragen angepasst sein.

Hierfür kommen moderne Methoden der Kristallographie, der Kristallchemie und der kristallphysikalischen Struktur- und Eigenschaftsvorhersage zum Einsatz.
Die Klasse der oxidischen Kristalle steht besonders im Fokus des Projekts, da sie eine breite Palette von gekoppelten (Energiewandlungs-) Phänomenen aufweisen, welche bisher überwiegend Verwendung in elektronischen Bauteilen findet. Auch im Bereich metastabiler Zustände und thermodynamischer Phasenumwandlungen kristalliner Materialien liegen noch nicht gehobene Potentiale für stationäre Energiespeicher.

Außerordentlich interessante Stoffe mit noch ungeahnten Potentialen stellen auch Biomineralien dar. Diese natürlichen Komposite sind wichtige Substanzen in der belebten Natur und sind hervorragend an Prozesse angepasst, die elektrochemisch vergleichbar sind. Im Rahmen des Projekts werden diese Materialien und biomimetischen Prinzipien hinsichtlich neuartiger elektrochemischer Speicherkonzepte untersucht.

Optimierung

Im Rahmen von CryPhysConcept soll auf neue Konzepte elektrochemischer Speicherzellen durch Anwendung kristallographischer und kristallphysikalischer Methoden und Konzepte fokussiert werden. Allein eine Einbeziehung der im Lastfall auftretenden exothermen chemischen und Joule´schen Wärme für das Materialdesign und das Layout der Funktionselemente unter Einbeziehung kristallphysikalischer Kopplungsphänomene birgt enormes Potential für die Steigerung der Effizienz der betreffenden Energiespeicher. An Materialien und biomimetischen Prinzipien der belebten Natur lassen sich vielversprechende Anleihen für neuartige elektrochemische Speicherkonzepte nehmen.

Im Rahmen stationärer Energiespeicher sind entsprechende Materialien, und besonders deren Kombinationen, bislang noch nicht auf den Maßstab industrieller Anwendungen gehoben worden. Hierzu ist eine Betrachtung der gesamten Innovationskette, ausgehend von der Grundlagenforschung über die angewandte Forschung bis hin zum industriellen Technologietransfer erforderlich. Dies kann von der TU Bergakademie Freiberg als nationaler Ressourcenuniversität, in deren Fokus zugleich die Entwicklung neuer Materialien und Technologien für eine nachhaltige Stoff- und Energiewirtschaft steht, in idealer Weise geleistet werden.

Teilvorhaben

  • Sichtung, Bewertung & Systematisierung. Ziel: Anforderungs-, Ideen/Konzeptkatalog für neuartige stationäre, elektrochemische Energiespeicher.
  • Modellierung, Simulation & Vorhersage. Ziel: Materialien und Materialkonzepte verifizieren, neue Materialeigenschaften und Materialkonzepte modellieren.
  • Synthese, Charakterisierung & Modifizierung. Ziel: Physikalische/chemische Materialsynthese, Materialmodifizierung und Aufskalierung.
  • Labormuster & Proof-of-Concept-Modelle. Ziel: Darstellung neuartiger Konzepte für elektrochemische Speicher.
  • Der Verbundpartner Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e. V. Meinsberg stellt als etablierter Partner insbesondere seine Kompetenzen im Bereich der Festkörperchemie und der Synthese von Festelektrolyten sowie diesbezüglicher dedizierter Analytik zur Verfügung.
  • Die Kernkompetenz des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff und Strahltechnik (IWS) ist die Modellierung, Entwicklung, Herstellung und Erprobung von Beschichtungslösungen. Zudem besitzt das IWS besondere Expertise im Bereich der Verarbeitung von Materialien (Abtragen und Trennen, Fügen, Randschichttechnik, Thermisches Beschichten und Generieren, chemische Oberflächen- und Reaktionstechnik), insbesondere im Bereich der Energiespeichertechnologien.
  • Das Fraunhofer-Technologiezentrum Halbleitermaterialien Freiberg (THM) betreibt Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Herstellung von kristallinen Werkstoffen für die Photovoltaik, Energietechnik, Mikroelektronik und Leistungselektronik. Das THM wird als eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg betrieben.

Publikationen

Meyer, D. C.; Leisegang, T. (Hrsg.): Review on electrochemical storage materials and technology. 1st International Freiberg Conference on Electrochemical Storage Materials, 3rd - 4th June 2013 in Freiberg, Germany. AIP Conference Proceedings, 1597. Melville, N.Y. : American Institute of Physics, 2014
DOI: 10.1063/v1597.frontmatter

Hanzig, J.; Zschornak, M.; Nentwich, M. (u.a): Strontium titanate: An all-in-one rechargeable energy storage material. In: Journal of Power Sources. Vol. 267 (2014)
DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.05.095

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

29. November 2017
RENEXPO® PV & StromSpeicher

5. Dezember 2017
Intersolar India

24. Januar 2018
6. Batterieforum Deutschland

» Alle Termine

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.