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3D-Elektroden mit längerer Lebensdauer
Im Projekt Flow3D stellten Forscher poröse Kohlenstoffstruktur her, die eine völlig neue Materialklasse darstellen. Dies soll sowohl bei Redox-Flow-Zellen als auch in anderen elektrochemischen Systemen zu einer Verbesserung von Leistungsdichte und Stabilität führen.
| Projektstatus | Projekt abgeschlossen |
|---|---|
| Laufzeit des Projektes | Juli 2012 bis Dezember 2015 |
Ziel des Forschungsverbunds ist die Herstellung einer Kompositelektrode aus unterschiedlichen Kohlenstoffmaterialien, welche den Erfordernissen einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie angepasst ist. Hierzu wird ein neuartiges Kohlenstoffmaterial mit definierter Porenstruktur eingesetzt, das durch den Herstellungsprozess mit einer hohen zugänglichen Oberfläche ausgestattet ist. Durch den signifikant reduzierten Anteil unzugänglicher Mikroporen kann eine kinetische Reaktionshemmung weitestgehend unterbunden werden. Aufgrund des speziellen Herstellverfahrens knüpfen diese Kohlenstoffe außerdem hervorragend an die Porenhierarchie der verwendeten Vliese an, so dass die aktive Oberfläche erhöht und damit ein höherer Volumenanteil der durchströmten 3D-Elektrode elektrochemisch angesprochen werden kann. Ziel sind eine erhöhte Aktivität bei verbesserter Stabilität der 3D-strukturierten Elektrode.
Kern der Forschung
Die im Projekt herzustellende poröse Kohlenstoffstruktur stellt eine völlig neue Materialklasse dar, die sowohl bei Redox-Flow-Zellen als auch in anderen elektrochemischen Systemen zu einer Verbesserung von Leistungsdichte und Stabilität führen kann.
Die Forscher überprüfen in einer Machbarkeitsstudie, inwieweit die Prozesstechnik der beiden Industriepartner in einen gemeinsamen industriellen Herstellungsprozess überführt werden kann. Eine Kombination der Prozessschritte könnte zu einer Reduktion der Kosten führen.
Industriellen Weg ebnen
Im Gegensatz zu anderen Projekten soll der Verbund zwei universitärer und zwei Industriepartner dafür sorgen, dass einerseits ein grundlegendes Verständnis der elektrochemischen und Degradationsprozesse, andererseits ein marktfähiges Produkt entwickelt wird. Dazu wird der Kohlenstoff mittels verschiedener Methoden modifiziert, um aktive Oberflächengruppen zu erzeugen und so die Aktivität zu steigern. Die Langzeitstabilität der modifizierten Materialien wird direkt in der elektrochemischen Anwendung getestet und charakterisiert. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der detaillierten Untersuchung der neu generierten Materialien, aber auch der gesamten Elektrodenstruktur mit fortschrittlichen (in-situ-)Methoden.
3D-Netzwerk direkt im Vlies erzeugen
Vanadium-basierte Redox-Flow-Zellen sind seit einiger Zeit bekannt und haben ihre Tauglichkeit schon in ersten Feldtests bewiesen. Vergleichbar mit einer Brennstoffzelle sind auch hier Energiewandler und -speicher getrennt, die Energie wird jedoch in einer flüssigen Elektrolytlösung gespeichert. Die Morphologie und die Oberflächenbeschaffenheit der Elektrode haben einen großen Einfluss auf die Leistungsdichte der Zellen. In enger Zusammenarbeit der vier Partner (Heraeus Quarzglas, Freudenberg Forschungsdienste - Industrie, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Karlsruher Institut für Technologie - Akademia) soll ein neuartiges kohlenstoffbasiertes 3D-Netzwerk über eine Templattechnik direkt in einem Kohlenstoff-Vlies erzeugt und damit die Lücke zwischen mikro- und makroporösen Kohlenstoffen geschlossen werden. Dazu wird zuerst ein kommerziell erhältliches, später ein für den Prozess adaptiertes Vlies mit dem definiert porösen Kohlenstoff imprägniert, wobei ein Schwerpunkt der Prozesstechnik darauf liegt, eine besonders robuste hierarchische Struktur zu erzeugen. Dadurch erscheint es uns möglich, einen Kompromiss zwischen einem hohen Anteil an elektrochemisch ansprechbarem Volumen bei gleichzeitig guter Durchströmbarkeit zu erzielen.
Stationen der Forschung
Das Gesamtprojekt gliedert sich in die drei Unterpunkte 3D-Strukturierung, Modifizierung und Charakterisierung:
- 3D-Strukturierung der kohlenstoffbasierten Elektrode: Dabei soll eine gezielte Porosität eingestellt und die technische Machbarkeit einer Zusammenführung der Prozessierungsschritte der beiden Industriepartner überprüft werden.
- Geeignete Modifizierung der Kohlenstoff-Oberfläche: Dadurch soll die Aktivität der verwendeten Materialien positiv beeinflusst und ggf. ein größeres Potenzialfenster für den Einsatz in Redox-Flow-Zellen ermöglicht werden.
- Detaillierte Charakterisierung ex-situ, in-situ und ortsaufgelöst: Mit geeigneten Charakterisierungsmethoden soll der Einfluss der Elektrodenstruktur auf die spätere Performance in der Redox-Flow-Batterie analysiert und Verbesserungsvorschläge erarbeitet werden, wie ein höherer Volumenanteil des Materials elektrochemisch angesprochen werden kann. Darüber hinaus sollen Alterungsprozesse aufgeklärt werden.
In der ersten Stufe wurde eine hierarchisch strukturierte Elektrode durch eine Kombination bewährter Materialien der Projektpartner in enger Zusammenarbeit von Heraeus und Freudenberg erzeugt. Erste Vlieselektroden wurden in einer Redox-Flow-Zelle getestet, teilweise funktionalisiert sowie elektrochemisch und strukturell charakterisiert.
