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Elektrischer Speicher
BMBF
Metall-Luft-Batterie 18.10.2016

Transfer-Apparatur zur Elektroden-Charakterisierung mittels Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS)
© Universität Bonn

Strom aus Luft und Magnesium

Forscher aus Bonn, Ulm und Berlin erarbeiten im Projekt MgLuft die Grundlagen für wiederaufladbare Hochenergie-Batterien. Diese verwenden Magnesium als negative und eine Luftelektrode als positive Elektrode. Diese neuartigen elektrochemischen Energiespeicher – die Magnesium/Luft-Batterie – sollen künftig in Energieversorgungssystemen eingesetzt werden.

Projektstatus Kurz vor Fertigstellung
Projektlaufzeit Juni 2013 bis Mai 2017

Für eine zukünftige nachhaltige Energieversorgung müssen neuartige Hochenergiespeichersysteme entwickelt werden. Eine der zentralen Möglichkeiten sind wiederaufladbare Batterien. In diesem Verbundvorhaben erforschen die Wissenschaftler, inwieweit Batterien, die Magnesium als negative Elektrode und als positive Elektrode eine Luftelektrode – wie sie aus Brennstoffzellen bekannt sind – verwenden, eine praktikable Alternative darstellen. Der Vorteil einer solchen Batterie ist, dass einerseits Magnesium praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht und eine höhere theoretische Energiedichte – im Vergleich zu Li-Ionen-Systemen – aufweist. Die Luftelektrode, an der Sauerstoff aus der Luft umgesetzt wird, hat andererseits den Vorteil, dass Schwermetalle allenfalls in kleiner Menge als Katalysator eingesetzt und nicht in stöchiometrischer Menge als aktive Masse benötigt werden. Gegenüber anderen Batterie-Systemen trägt dies ebenfalls zu einer  gesteigerten Leistungsdichte und größeren Umweltfreundlichkeit bei.
Die derzeitigen Arbeiten tragen im wesentlichen zum Grundlagenverständnis bei. Mittelfristig besteht die Chance, dass Magnesium-Luft-Batterien eines der zukünftigenEnergiespeicher-Systeme werden.

  • Das Schema zeigt eine Dünnschichtzelle, die an ein Massen-Spektrometer an die Elektrode zur Produktanalyse angekoppelt wird. © Universität Bonn
  • Dünnschichtzelle: Ankopplung eines Massen-Spektrometers an die Elektrode zwecks Produktanalyse © Universität Bonn
  • Die numerische Modellierung von Dünnschicht-Flusszellen unterstützt die Interpretation experimenteller Daten und erlaubt die Extraktion wichtiger Parameter, die den Elektrolyten und den Reaktionsverlauf in Magnesium-Luft-Zellen charakterisieren. Das Bild zeigt exemplarisch den Weg von Reaktanden durch eine Dünnschicht-Flusszelle. © WIAS Berlin
  • Prinzip der Mg-Luft Batterie: Sauerstoffelektrode © ZSW
  • Typen von Anodenmaterialien © ZSW
  • Versuchsaufbau zur differenziellen elektrochemischen Massen-Spektrometrie an ionischen Flüssigkeiten © IOK
  • Elektrochemische Zersetzung von 1 Butyl-1 methylpyrrolidinium-bis(trifluoromethylsulfonyl)imide auf einer Goldelektrode untersucht mit differenzieller elektrochemischer Massen-Spektrometrie © IOK
  • Eine elektrochemische Zelle wird mit Gasdiffusionselektrode an ein Massenspektrometer angekoppelt. © Universität Bonn
  • Mitarbeiter der Universität Bonn wechseln das Filament am Massen-Spektrometer. © Universität Bonn
  • Ein Forscher der Universität Bonn misst die Elektroden-Kinetik mit einer rotierenden Scheiben-Elektrode. © Universität Bonn
  • Vorbereiten einer Rastertunnel-Mikroskopie-Messung © IOK
  • Vorbereitung einer elektrochemischen Untersuchung © Universität Bonn
  • Transfer-Apparatur zur Elektroden-Charakterisierung mittels Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) © Universität Bonn
  • Elektrolytwechsel © Universität Bonn

Vielversprechende Kenndaten

Bezogen auf das Gewicht hat eine Mg-Metall-Elektrode eine geringere spezifische Kapazität als eine Li-Elektrode (Mg: 2205 Ah/kg verglichen mit Li: 3861 Ah/kg). Wegen der höheren Dichte (Mg: 1.74 g/cm³ verglichen mit Li: 0.53 g/cm³) ist aber die theoretische Volumenkapazität höher (3837 Ah/L verglichen mit 2046 Ah/L bei Li).
Auf der Ebene einer Zelle, in Kombination mit einer Luftelektrode und unter Berücksichtigung der Masse von Magnesium (Mg) und Luft berechnet sich eine theoretische spezifische Energie („gravimetrische Energiedichte“) von 2789 Wh/kg (gegenüber 5200 Wh/kg für die Li | O2 Zelle). Dieser Wert ist immer noch viermal höher als der heutiger Li-Ionen-Batterien (theoretisch ca. 600 Wh/kg, bezogen nur auf die aktive Masse).

Neue Elektrolyte

Das Grundlagenwissen soll in erster Linie zur Reaktivität von Magnesiumelektroden einerseits und andererseits zur Sauerstoffreduktion und -entwicklung in nichtwässrigen Elektrolyten erweitert werden. Zwar kann auf das Wissen im Zusammenhang mit Li-Luft-Batterien und ersten Arbeiten in der Literatur zu Mg-Ionen-Batterien zurückgegriffen werden, aber die Kombination bringt ganz neue Herausforderungen mit sich: Grignard-basierte halogenidhaltige Elektrolyte, die prinzipiell für Mg-Batterien geeignet sind, können wegen der zu erwartenden Halogen-Entwicklung an der Sauerstoff-Elektrode nicht eingesetzt werden. Dafür müssen also neue Elektrolyt-Formulierungen entwickelt werden. An der Sauerstoff-Elektrode entsteht primär Peroxid, das mit Mg-Ionen vermutlich unlösliches Mg-(Per-)Oxid bildet. Die Reversibilität dieses Vorganges muss gewährleistet werden.

Charakterisierung der Elektroden

Für die Elektrolyte testen die Forscher einerseits ionische Flüssigkeiten, andererseits auch die von Li-Luft-Systemen bekannten Elektrolyte in Kombination mit speziellen Mg-Salzen. Durch Zugabe von geeigneten funktionellen Additiven versuchen sie auch, bestimmte Eigenschaften des Basiselektrolyten zu beeinflussen, wie z. B. Filmbildung beziehungsweise Mg-Abscheidungsverhalten. Für die Mg-Elektrode sollen alternativ auch Konversionsverbindungen getestet werden.

Im Verbund haben sich Partner mit sehr unterschiedlicher Expertise zusammengefunden: An den Universitäten Bonn und Ulm stehen eine Reihe weit entwickelter Methoden für die Charakterisierung der Elektroden und Untersuchung der Elektrodenreaktionen zur Verfügung. Mit Hilfe der elektrochemischen Massen-Spektrometrie können einerseits Produkte von Zersetzungsreaktionen des Elektrolyten empfindlich nachgewiesen werden, andererseits auch die Menge des reduzierten bzw. entwickelten Sauerstoffs quantitativ verfolgt werden; die Charakterisierung der Elektroden erfolgt beispielsweise elektronenspektroskopisch mit Hilfe spezieller Transfersysteme. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat einen großen Erfahrungsschatz im Zusammenhang mit Li-Ionen-Batterien und der Anwendung elektrochemischer Untersuchungsmethoden. Die Theoretische Chemie in Bonn ist ausgewiesen in der quantenchemischen Berechnung von Festkörper-Grenzflächen, das Berliner Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS) entwickelte Methoden zur Berechnung von Diffusion und Konvektion in komplizierten Systemen.

Arbeitsgruppe Elektrochemie der Universität Bonn

Mikroskopische Charakterisierung der Struktur und der Reaktionen an der Anode: Für eine erfolgreiche Erarbeitung der oben genannten Ziele müssen insbesondere folgende grundlegende Aufgabenbearbeitet werden:

  • Test neuer Elektrolytsysteme, Charakterisierung der elektrochemischen Stabilität und der Reaktionen sowie der Filmbildung.
  • Beeinflussbarkeit der Mg-Abscheidung, mikroskopische Charakterisierung der Struktur, der Reaktionen inkl. Produkte und Intermediate an Mg sowie der Schutz- und Passivschichten. Test von Insertions- und Konversionsverbindungen und Legierungen als alternative Anodenmaterialien.
  • Mikroskopische Charakterisierung von unlöslichen Mg-Oxiden auf der Kathode.

Institut für Oberflächenchemie und Katalyse (Universität Ulm)

Mikroskopische Charakterisierung der Reaktions- und Transportprozesse an der Kathodengrenzfläche von Magnesium-Luft-Batterien: Ziel dieses Teilvorhabens ist die detaillierte Charakterisierung der Wechselwirkung von Elektrode und Elektrolyt an der Kathodengrenzfläche (Luft-Elektrode) von Mg-Luft Batterien sowie der an dieser Grenzfläche ablaufenden Prozesse, die aus dieser Wechselwirkung sowie aus der O2-Reduktion (ORR) bzw. der O2-Entwicklung (OER) resultieren. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen an definierten Modellsystemen bilden die mechanistische Grundlage und Datenbasis für die vom WIAS durchgeführten numerischen Simulationen und für das Verständnis der vom ZSW durchgeführten Untersuchungen an realistischen elektrochemischen Zellen, und damit für ein verbessertes Verständnis der einzelnen Teilprozesse und ihrer Zusammenhänge. Sie sind fernerhin Basis für eine gezielte Optimierung der Kathoden in Mg-Luft-Batterien.

Praktische Ansätze für Elektroden und Elektrolyte in Mg-Luft–Batterien (ZSW Ulm)

Hier sollen Ansätze erarbeitet werden, wie Elektroden und Elektrolyte in der Praxis aussehen könnten.
Dazu gehört:

  • Identifizierung und Basis-Charakterisierung von geeigneten Elektrolyten für Mg-Luft-Systeme
  • Machbarkeitsstudie zum Einsatz von alternativen Anodenmaterialien basierend auf Grafiten („Insertionsmaterialien“ bzw. Interkalationsmaterialien“) oder Metallen / intermetallischen Verbindungen („Konversionsmaterialien“)
  • Untersuchungen zum Reaktionsmechanismus und zur Deckschicht-Bildung an der Anode um ein Verständnis für die Elektroden-Elektrolyt-Wechselwirkungen zu gewinnen
  • Synthese und Untersuchungen zu Katalysatoren und Additiven für die ORR (Sauerstoff-Reduktionsreaktion, oxygen reduction reaction) und OER (Sauerstoff-Bildungsreaktion, oxygen evolution reaction) der Luft-Elektrode
  • Auswahl von Elektrodensubstraten und Präparationsverfahren für Gasdiffusionselektroden
  • Design von realen Luft-Elektroden mit optimierter Vierphasen-Grenzfläche
  • Adaptierung und Verbesserung der Elektrodenzusammensetzung im Hinblick auf Leistungs- und Degradationseigenschaften.

Transport- und Reaktionsprozesse in Magnesium-Luft-Batterien (Universität Bonn, Theoretische Chemie)

Modellierung auf atomarer Ebene: Ziel dieses Teilprojekts (Arbeitspaket  4) ist die Entwicklung atomistischer Modelle für die chemischen Elementarprozesse, die an den Kathoden und Anoden von Magnesium-Luft-Batterien stattfinden und experimentell untersucht werden. Berechnungsgrundlage sind quantenchemische Verfahren auf Dichtefunktionaltheorie und semi-empirischem Niveau. Anhand vereinfachter Modellsysteme sollen Aktivierungsbarrieren und Reaktionsenthalpien für die Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff, Wasser und Solvenzmolekülen berechnet werden. Zwischenstufen sollen spektroskopisch charakterisiert werden. Die Auswahl der Modellsysteme erfolgt in enger Kooperation mit den anderen Arbeitsgruppen. Die theoretischen Modellrechnungen sollen zu einem vertieften Verständnis der relevanten Reaktionsmechanismen bei der Ausbildung passivierender Grenzphasen, der Rolle des Elektrolyten und des Katalysators bei der Sauerstoffreduktion führen. Die quantenchemisch berechneten thermodynamischen und kinetischen Reaktionsparameter sollen in makroskopische Modelle einfließen. Dieser werden in anderen Arbeitsgruppen entwickelt.

Makroskopische Modellierung von Transport- und Reaktionsprozessen in Magnesium-Luft-Batterien (WIAS Berlin)

Ziel des Teilprojekts ist die Entwicklung von makroskopischen Modellen für gekoppelte Transport- und Reaktionsprozesse in Magnesium-Luft-Batterien, sowie in experimentellen elektrochemischen Zellen zur Untersuchung ihrer Komponenten. Auf dieser Basis werden numerische Simulationstools entwickelt und Berechnungen ausgeführt, die die experimentellen Arbeiten unterstützen sollen. Insbesondere sollen die Modellentwicklung und die Simulationen ein verbessertes Verstandnis der einzelnen Teilprozesse und ihrer Zusammenhänge ermöglichen.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

23. Oktober 2017
E-Mobility Power System Integration Symposium

24. Oktober 2017
Wirtschaftliche Energiespeicher

7. November 2017
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

» Alle Termine

Infobox

Forschungsförderung

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