Entwicklung von Materialien und Komponenten für Zink-Luft Sekundärelemente unter Berücksichtigung von Systemrestriktionen und Systemoptionen – BMBF

Wieder aufladbare Metall-Luft-Zellen und insbesondere Zink-Luft-Zellen haben eine höhere theoretische Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien und damit das Potential, die Reichweite von Elektrostraßenfahrzeugen signifikant zu erhöhen. Auch für stationäre Anwendungen stellt das Stoffsystem Zink-Luft eine attraktive Möglichkeit der chemischen Speicherung für elektrische Energie dar. Zusätzlich sind die einzusetzenden Materialien sehr preiswert. Da die in Frage kommenden Elektrolyte nicht brennbar sind, handelt es sich zusätzlich um ein äußerst sicheres System. Beispielsweise werden primäre Zn-Luft-Batterien in Hörgeräten eingesetzt. Dabei werden bis heute ausschließlich wässrige Elektrolyte eingesetzt. Zudem sind die in Zink-Luft-Batterien verwendeten Materialien sehr umweltverträglich und lassen sich einfach recyceln. Zurzeit sind im Markt jedoch keine wieder aufladbaren Zink-Luft-Sekundärelemente vertreten, da es hier einige technische Schwierigkeiten zu lösen gibt, die im Rahmen des geplanten Projektes bearbeitet werden. Zink-Luft besitzt deutliche Preis- und Sicherheitsvorteile gegenüber anderen Metall-Luft- Batterien. Die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse auf andere Metall-Luft-Systeme wird jedoch bei den Arbeiten ebenfalls berücksichtigt.

Ziel des Einzelvorhabens der AG Kwade der TU Braunschweig fokussiert sich auf die Entwicklung einer wieder aufladbaren, d.h. zyklisierbaren Zink-Elektrode, deren Interaktionen mit den anderen Komponenten des Zink-Luft Sekundärelements im Konsortium untersucht und bewertet werden. Somit ist gewährleistet, dass die Entwicklungen bezüglich der Zink-Elektrode nicht unabhängig vom Gesamtsystem erfolgen. Primäre Herausforderung dieses Teilprojekts ist die mitunter starke Strukturveränderung der Zink-Elektrode (bis hin zur Dendritenbildung und Degradation der Elektrodenbeschichtungen) während der Zyklisierung. Wesentliche Zielstellung ist dementsprechend die Entwicklung und Herstellung strukturstabiler Zink-Elektroden.

Es sollen zwei grundlegend verschiedene Prozesstechniken zur Herstellung der partikulären Elektrodenstruktur untersucht werden. Es erfolgt die Elektrodenpräparation unter Verwendung eines Laborfilmziehgerätes mit temperierbarer Vakuumplatte. In Lösemittel dispergierte Zinkpartikel werden mit Hilfe eines Rakels auf die leitfähige elektrochemisch inerte Struktur aufgebracht und anschließend das Lösemittel wieder verdampft.
Des Weiteren wird die Verarbeitung der partikulären Ausgangsstoffe über einen lösemittelfreien Prozessweg zu Elektrodenschichten untersucht. Dieses Verfahren ermöglicht nicht nur den Aufbau gradierter Strukturen (z.B. hinsichtlich Partikelgröße und Bindergehalt), sondern ist durch den Verzicht auf Lösungsmittel und den integrierten Beschichtungs- und Verdichtungsprozess ökonomisch sowie ökologisch sehr interessant.

Das Projekt hat im Mai 2012 begonnen und läuft bis Ende April 2015. Gefördert wird dieses Projekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung.


AG – Mitarbeiter

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