Entwicklung innovativer, kostengünstiger Natrium-Ionen-Batterien auf Basis von NaFePO₄-Aktivmaterialien, hergestellt aus recyceltem LiFePO₄ aus verbrauchten Li-Ionen-Batterien (LIB2SIB)

Nach aktuellen Schätzungen werden im Jahr 2025 weltweit etwa 5.000.000 Tonnen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) produziert werden. Diese Produktionsrate wird in den kommenden Jahren unweigerlich ansteigen. Daher ist eine verantwortungsvolle Entsorgung und ein effizientes Materialrecycling entscheidend für die Nachhaltigkeit des Batteriemarktes. Die aktuelle Situation zeigt jedoch das Gegenteil. LiFePO4-Batterien (LFP) machen etwa 1/3 des gesamten LIB-Marktes aus. Der Materialwert der verbrauchten LFP-Batterien ist jedoch zu gering, um von der Abfallwirtschaft kostendeckend gesammelt und recycelt zu werden. Kathodenmaterial am Ende der Lebensdauer (EOL) von LFP-Batterien hat jedoch ein sehr hohes Potenzial für die Wiederverwendung in neuen Batterietypen wie Natrium-Ionen-Batterien (SIB), da die zugrundeliegende Chemie von SIB der von LIB sehr ähnlich ist, während SIB gleichzeitig von den gut verfügbaren Natrium-Ressourcen (Na kommt etwa 440 Mal häufiger vor als Li) und niedrigeren Gewinnungskosten profitieren können. Dies ermöglicht völlig neue Wege zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft. Dadurch kann die Materialabhängigkeit Deutschlands reduziert und politische, ökologische und wirtschaftliche Risiken minimiert werden.

Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung innovativer, kostengünstiger und nachhaltiger Elektrodenmaterialien für eine neue Generation von Natrium-Ionen-Batterien. Um die spezifische Kapazität von SIB zu erhöhen, werden maßgeschneiderte Metallanoden durch galvanische Abscheidung von dünnen Na-Filmen auf 2D/3D-Stromabnehmern hergestellt. Durch die Wiederverwendung von verbrauchtem LFP-Material als wichtiger Grundstoff für neue NaFePO4-basierte Kathoden wird ein hohes Maß an Nachhaltigkeit für die neuartigen Natrium-Ionen-Batterien angestrebt. In dem Projekt werden Nachhaltigkeitsaspekte (Ökobilanz) zu den neuen Materialien bereits während der Entwicklung der Batteriekomponenten und Herstellungsprozesse berücksichtigt.

Zu den Forschungspartnern zählen neben dem fem – Forschungsinstitut, das für die Projektkoordination des Verbundes und für die galvanische Herstellung und elektrochemische Charakterisierung der Natrium-Anoden zuständig ist, die Universität Sakarya aus der Türkei (Aufarbeitung von verbrauchten LFP-Kathodenmaterial), das IEES-BAS aus Bulgarien (Herstellung von NaFePO4-Aktivmaterial aus FePO4-Recylingmaterial), die Firma Niocycle Teknoloji aus der Türkei (Bereitstellung und Aufreinigung von Kathodenmaterial aus verbrauchten LFP-Batterien) und die Firma EurA AG (ökologische und ökonomische Bewertung der einzelnen Batteriekomponenten und Herstellungsprozesse).

Gemeinsam mit den assoziierten Industriepartnern Reelements GmbH, Accurec – Recycling GmbH, Nesstec Energy & Surface Technologies AS und Vaulta Holding Pty Ltd soll bis Ende 2028 ein leistungsfähiger Demonstrator einer Natrium-Ionen-Batteriezelle mit Natriummetallanode und Kathodenmaterial aus recyceltem LFP-Material entstehen.

ACKNOWLEDGEMENT

Das internationale Verbundprojekt (03XP0617A) wird im Rahmen der BMBF-Bekanntmachung M-ERA-NET III – Materialwissenschaft und Batterie im FB „Inaktivmaterialien und –komponenten für Batteriezellen“ bzw. Alternative Batteriesysteme“ aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Förderrichtlinie wird durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.

Entwicklung von Raumtemperatur-Natrium-Schwefel-Batterien auf Basis von Polyacrylnitril-Schwefel-Kathoden (NaS-Zelle)

Im Kontext der Energiewende nehmen Energiespeicher eine zentrale Position ein. Mit der steigenden Anzahl mobiler Anwendungen wächst auch der Bedarf an stationären Energiespeichern, insbesondere für die Zwischenspeicherung von aus erneuerbaren Energien erzeugtem Strom. Eine besonders effiziente Methode zur Energiespeicherung stellen elektrochemische Energiespeicher dar. Derzeit dominieren Lithium-Ionen- Batterien den Markt der elektrochemischen Energiespeicher. Jedoch ist die begrenzte globale Verfügbarkeit von Lithium, Nickel und Kobalt, die als essenzielle Bestandteile der Kathode fungieren, ein erheblicher Nachteil.

In den letzten Jahren haben sich die Forschungsaktivitäten auf alternative Batteriesysteme erheblich intensiviert. Vielversprechende Kandidaten sind Natrium-Ionen-Batterien und Natrium-Schwefel-Batterien, da Natrium in der Erdkruste etwa 440-mal häufiger vorkommt als Lithium. Zwar weisen Natrium-Ionen-Batterien geringere Energiedichten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien auf. Jedoch können durch die Verwendung von Schwefel als Kathodenmaterial deutlich höhere Energiedichten erreicht werden. Schwefel ist darüber hinaus weitreichend verfügbar, kostengünstig und besitzt weder toxische noch umweltgefährdende Eigenschaften.

Erste Ansätze zur Entwicklung von Natrium-Schwefel-Batterien gibt es bereits seit Mitte der 1970er Jahre. Das hierbei ent-
wickelte Hochtemperaturverfahren, bei dem Natrium und Schwefel bei 350 °C im flüssigen Aggregatzustand vorliegen, bringt allerdings hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien in der Zelle und im Gehäuse mit sich. Neuere Ansätze fokussieren sich auf Raumtemperaturzellen, ähnlich den Lithium-Schwefel-Batterien. Dennoch bestehen dabei ähnliche Herausforderungen. So treten im Zellbetrieb Volumenänderungen an der Kathode und der Anode auf, Polysulfide, die während der Zellreaktion gebildet werden, gehen unerwünschte Nebenreaktionen mit der Anode ein und Schwefel bzw. Natriumsulfid muss elektrisch leitfähig bleiben, um die Reversibilität der Zellreaktion zu gewährleisten.

Zur Bewältigung der bestehenden Herausforderungen konzentriert sich dieses Projekt auf die Entwicklung von Raumtemperatur-Natrium-Schwefel-Batterien, die auf Polyacrylnitril-Schwefel-Kathoden basieren. Ein spezieller Temperaturprozess wird verwendet, um Schwefel in das Polyacrylnitril einzubetten. Dies führt zur Umwandlung des Polyacrylnitrils in eine elektrisch leitfähige Matrix mit hoher Oberfläche, in der der Schwefel fest integriert ist. Dies ermöglicht die elektrische Anbindung des Schwefels und bildet gleichzeitig ein elastisches Gerüst, das die Volumenänderung des Schwefels kompensiert und die Abwanderung von Polysulfide minimiert.

Für die Natriumanode werden galvanisch hergestellte Natriumschichten verwendet. Das galvanische Verfahren ermöglicht die präzise Herstellung dünner Natriumschichten mit einstellbarer Morphologie, die mechanisch schwer darstellbar sind. Auf diese Weise lässt sich die in der Zelle vorhandene Natriummenge gezielt einstellen und es wird ein mit Sicherheitsrisiken verbundener Natriumüberschuss vermieden. Ziel des Projekts ist die Demonstration einer funktionsfähigen Zelle mit hoher Kapazität und guter Zyklenstabilität.

Das IGF-Vorhaben 01IF23177N wird im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Calcium sulphur: Innovative material development for more sustainable batteries (CaSino)  

The energy transition will only be successful if, in addition to the generation of electricity from renewable energy sources, the development of cost- and resource-efficient energy storage systems is also driven forward. Battery cells with the unique material pairing of calcium and sulphur are a promising candidate for the successor to the lithium-ion batteries currently in use: They reduce Germany's dependence on materials, minimise political, ecological and economic risks and offer enormous technological potential due to their low cost, good availability and high energy density.

Dieses Potential auszuschöpfen ist Ziel des FuE-Projekts “Calcium-Schwefel: Innovative Materialentwicklung für nachhaltigere Batterien”, kurz CaSino. Zu den Forschungspartnern zählen neben dem fem, das für die galvanische Herstellung der Calcium-Anoden zuständig ist, das KIT (elektrochemische Charakterisierung des Ca-Batterie-Elektrolyten), das DLR (Herstellung der Schwefel-Kathoden), das HIU (Modellierung der Prozesse in der Calcium-Schwefel-Vollzelle) und das NMI (Grenzflächenmorphologie und Strukturaufklärung). Die EuRA AG übernimmt die ökologische Bewertung der einzelnen Batteriekomponenten.

Together with the industrial partners Alantum, Varta, Custom Cells, Accurec and IoLiTec, a high-performance demonstrator of the calcium-sulphur battery cell is to be developed by 2025.

ACKNOWLEDGEMENT

The project is being funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with around 3 million euros as part of the "Battery 2020 Transfer" programme.

Sicherheit und Betriebsstrategien Lithium-basierter Batterien-Dendriten und SEI-Wachstum auf metallischem Lithium

Die Energiewende stellt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit dar. Dabei kommt der Energiespeicherung eine besondere Bedeutung zu. Der Einsatz von Batterien ist für die Speicherung von erneuerbarer Energie sowohl stationär als auch mobil, etwa in Elektrofahrzeugen, unumgänglich. Einen großen Einfluss auf den Batteriezustand und die Lebensdauer haben dabei die zum Teil stark wechselnden Betriebsbedingungen (Temperatur, Stromprofil, etc.). Die Aufgabe von Batteriemanagementsystemen ist daher die Überwachung und Steuerung komplexer Batteriepacks. Auf diese Weise sollen Sicherheitsprobleme verhindert werden und der Batteriezustand möglichst lange erhalten bleiben. Informationen über den Batteriezustand erlauben es, fehlerhafte und beschädigte Batteriezellen zu identifizieren und aus dem Verbund des Batteriepacks zur Vermeidung von Havarien gezielt zu entfernen.

Energiespeicher mit metallischen Lithium-Elektroden besitzen aufgrund ihrer im Vergleich zu derzeitigen Energiespeichern höheren theoretischen Energie- und Leistungsdichten ein großes Marktpotenzial für die Zulieferer von Elektrofahrzeug- und Batterieherstellern. Wesentliche Merkmale der metallischen Lithium-Elektroden sind dabei das Wachstum einer Schutzschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt (Solid Electrolyte Interphase, SEI) sowie das Wachstum von nadelförmigem Lithium beim Zyklisieren (Dendriten). Das Wachstum der SEI führt zu erhöhtem Innenwiderstand und damit zur Abnahme der Zellleistung bis hin zum Versagen. Die Dendriten stellen aufgrund des potentiellen Durchdringens des Separators bis zum Kurzschluss mit der Gegenelektrode ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar. Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurde die Entwicklung einer Simulationssoftware für elektrochemische Energiespeicher mit metallischen Lithium-Elektroden angestrebt. Ziel war es, die aus den experimentellen Verfahren gewonnenen, empirischen Erkenntnisse und Parameter zur Modellierung dieser Prozesse auf physikalisch-elektrochemischer Basis zu verwenden. Die implementierte Software kann mit Hardware-in-the-Loop (HiL) Testständen zur Verifizierung von Algorithmen in Batteriemanagementsystemen (BMS) verknüpft werden, um teure, zeitaufwendige und unzureichend reproduzierbare Tests mit realen Batterien zu ersetzen. Dies kann die FuE-Aktivitäten erleichtern und die Vermarktung dieses Batterientyps eventuell beschleunigen.

Acknowledgement

Das IGF-Vorhaben AiF 21113 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Fadenförmige Li-S-Elektroden für flexible Energiespeicher

Für die nächste Generation von flexibler Elektronik wie aufrollbaren Bildschirmen, körpernahen Smart Devices oder Smart Textiles besteht ein steigendes Interesse an flexiblen, sicheren, dünnen und leichten Energiespeichern. Für flexible Batterien müssen alle Bestandteile, von den funktionalen Zellkomponenten wie Anode, Kathode, Elektrolyt, Separator und Stromsammler bis zur Einhausung dieser Komponenten flexibel genug sein, um mechanischer Verformung im Einsatz Stand zu halten. Außerdem muss die Leistungsfähigkeit der Batterie auch unter mechanischer Belastung erhalten bleiben. Die meisten heute existierenden Batterien sind zu schwer, voluminös und starr, um den Anforderungen der hier anvisierten Anwendungen zu genügen. 

Im Unterschied zu konventionellen elektrochemischen Energiespeichern weisen flexible Speicher für moderne Anwendungen ein Anforderungsspektrum anderer Gewichtung auf. Während auch hier eine möglichst hohe spezifische Energie und eine hohe Zyklen- und Ratenfestigkeit vorteilhaft sind bzw. sein können, müssen in einem ersten Schritt doch andere Faktoren verbessert und optimiert werden, ohne die die Lebensdauer und Sicherheit und damit die Anwendbarkeit in der Zielanwendung auf inakzeptable Weise eingeschränkt wären. An erster Stelle kommt es hier auf die mechanische Flexibilität und Belastbarkeit bei gleichzeitig möglichst geringem Risiko für Funktionsversagen sowie die Gefahr durch zu starke Wärmeentwicklung oder Brandentstehung im Falle einer fatalen Schädigung z.B. durch Verunfallung etc. an. 

Eine verbesserte mechanische Stabilität ist auch im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit wichtig, z.B. in Textilmaschinen. In Bezug auf die Zellchemie von flexiblen Energiespeichern werden bislang verschiedene Ansätze verfolgt, wobei sich das Lithium-Schwefel-System aufgrund einiger wichtiger intrinsischer Vorteile besonders anbietet. Die antragstellenden Forschungseinrichtungen HSAA und fem haben in bereits abgeschlossenen Forschungsvorhaben IGF 18127N, IGF 19134N und BMWi 03ETE026C neuartige Elektroden und Polymerschutzschichten auf Lithium für die Li-S-Batterien entwickelt.

Ziel von FiberBat ist es, basierend auf den genannten Ergebnissen zur Elektrodenentwicklung für das Li-S-System, faserartige Anoden und Kathoden für eine neuartige flexible und kostengünstige Lithium-Schwefel-Zelle hoher Sicherheit und Umweltfreundlichkeit mit Hilfe materialeffizienter Verfahren unter Einsatz von Rohstoffen hoher Verfügbarkeit und Umweltfreundlichkeit zu entwickeln. Als Substrate, welche in der späteren Anwendung als Stromsammler dienen sollen, werden metallische und im späteren Projektverlauf auch nichtmetallische Drähte bzw. Fasern eingesetzt. Diese werden mit den Aktivmaterialien beschichtet und auf Basis oben genannter Projektergebnisse durch eine weiterentwickelte und den spezifischen Anforderungen des Konzepts angepasste Polymerschicht geschützt. Diese Schutzschicht erfüllt auf der Kathodenseite gleichzeitig auch die Separator-Funktion. Für die elektrochemische Charakterisierung und zu Demonstrationszwecken wird jeweils ein Kathoden-/Anoden-Paar in geeigneter Art und Weise, beispielsweise in Form eines Zwirns, hergestellt und in einen Schrumpfschlauch überführt, der mit Elektrolyt aufgefüllt wird.

Auf diese Weise wird eine fadenartige Zelle hergestellt, die die beste Integrierbarkeit in Smart Textiles bietet. Ein Vorteil bei diesem Konzept ist, dass im Falle eines lokalen Separatorversagens, beispielsweise durch übermäßige mechanische Beanspruchung, evtl. nur wenige, idealerweise nur ein Zellfaden betroffen ist, sodass ein interner Kurzschluss nur mit einer, im Vergleich zu klassischen Folienelektroden, geringen Reaktionsmasse und damit Energiefreisetzung verbunden ist, wobei die Diffusionswege für potentiell eindringenden Sauerstoff lang sind. Gleichzeitig ist durch das Gewebe auch eine bessere Wärmeabfuhr möglich, sodass es nicht zu einem Wärmestau innerhalb der Zelle kommen kann. Beide Aspekte reduzieren die Gefahr eines sogenannten Thermal Runaway und erhöhen die Sicherheit der Zelle deutlich. 

Acknowledgement

Das IGF-Vorhaben AiF 22793 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle+Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Reaktivierung von NMC-Kathodenmaterial, zurückgewonnen aus einem wasserbasierten Recyclingprozess, für die Wiederverwendung in Lithium-Ionen-Zellen  

Energiespeicherung und die damit verbundene Energienutzung sind ein wichtiges gesellschaftliches Thema. Ökologische Überlegungen zu Wiederverwendbarkeit und Klimaneutralität sorgten in den letzten Jahren zudem für eine Änderung der Nutzungsgewohnheiten. Mobile und wiederaufladbare Geräte wurden verstärkt stationären vorgezogen. Aufladbare Lithium-Ionen-Batterien (LIB) werden bereits heute millionenfach in verschiedenen Größen eingesetzt, beispielsweise in Mobilfunkgeräten, Laptops oder Powertools. Das erfolgreiche Up-Scaling erlaubt es, auch Elektroautos mit dieser Speichertechnik auszustatten. Der globale Markt für Elektrofahrzeuge und damit auch für LIB wächst aktuell enorm – von ca. 90 GWh im Jahr 2016 auf ca. 8,1–10,5 TWh im Jahr 2030. Eine nachhaltige Gestaltung der Elektromobilität ist aber nur möglich, wenn die Prinzipien einer effizienten Kreislaufwirtschaft berücksichtigt werden, insbesondere das Batterierecycling in Form einer optimalen Rückgewinnung der Rohstoffe und deren Aufarbeitung, sodass diese erneut in LIB eingesetzt werden können.

Angesichts der Tatsache, dass LIB eine durchschnittliche Lebensdauer von 5 bis 10 Jahren haben, ist eine sinnvolle Rückgewinnung der in LIB enthaltenen Rohstoffe ein wichtiges Thema für die nächsten Jahrzehnte. Eine durchschnittliche Menge von 4000 Tonnen LIB enthält 110 Tonnen Schwermetalle und mehr als 200 Tonnen giftige Elektrolyte. Eine Altbatterie enthält 5–20 % Co, 5–7 % Li, 5–10 % Ni und 5–10 % andere Metalle sowie organische Verbindungen. Kathodenmaterialien mit Ni, Co und Li haben den höchsten wirtschaftlichen Wert. Die Rohstoffkosten machen 50 % der Gesamtkosten aus, die bei Ersatz von Neumaterialien durch recycelte Materialien um bis zu 30 % gesenkt werden könnten.

Bei den aktuell angewandten Recyclingverfahren für LIB-Zellen, hydro- und pyrometallurgische Verfahren, wird auch das Kathodenmaterial unter hohem Energieaufwand in mehreren komplizierten Prozessschritten in chemische Grundstoffe umgewandelt, die prinzipiell auch für andere Verwendungszwecke einsetzbar sind. In neuartigen Verfahren zum LIB-Recycling („Direkt-Recycling“) ist angestrebt, dass das Kathodenaktivmaterial von der Trägerfolie mit Wasser abgestrahlt und getrocknet wird. Dabei bleibt die chemische Zusammensetzung der sogenannten schwarzen Masse („black mass“) nahezu unverändert. Die elektrochemische Aktivität ist bislang jedoch gering im Vergleich zu neuem Kathodenmaterial. Das bislang aus Direkt-Recycling gewonnene NMC-Kathodenmaterial (Rezyklat) ist in diesem Zustand nicht für den erneuten Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien geeignet.

Ziel von ReKath ist es, NMC-Rezyklate in neuartigen Prozessschritten so aufzubereiten, dass diese Materialeigenschaften aufweisen, das neuem NMC-Kathodenmaterial entspricht. Dies soll über weitergehende Reinigungsschritte erfolgen, die bestimmte Verunreinigungen entfernen. Die nachfolgenden Schritte beinhalten eine Relithiierung dieses Materials mit  Hilfe von Lithiumsalzen und eine thermische Behandlung bei Temperaturen, die eine vollständige Restrukturierung der passivierenden Grenzschichten der NMC-Kristallite ermöglichen. Die richtige thermische Behandlung stellt den entscheidenden Prozessschritt dar.

Die Materialproben – Rezyklate vor und nach der weitergehenden Aufarbeitung – werden an der Hochschule Esslingen (HSE) mittels XRD, EDX, AAS, Zetapotentialmessungen, AFM sowie Redoxtitration untersucht und charakterisiert, um Hinweise auf die tatsächlich vorliegende Kristallstruktur des aufgearbeiteten NMC-Altmaterials, die chemische Zusammensetzung, die Oxidationsstufe der Elemente sowie die Oberflächenveränderungen der Partikel der aufgearbeiteten NMC-Materialien zu erhalten.

Um die technische Eignung der aufgearbeiteten NMC-Materialien im Vergleich zu neuem Kathodenmaterial beurteilen und quantifizieren zu können, sollen Materialproben in Batterie-Testzellen eingesetzt und elektrochemisch untersucht werden. Dazu werden am fem Forschungsinstitut aus dem aufgearbeiteten NMC-Recyclingmaterial neue Elektroden hergestellt und in Halbzellentests im Knopfzellenformat getestet. In C-Raten-Tests sollen die Lade- und Entladeraten variiert und die Zyklenfestigkeit der Elektroden aus dem NMC-Recyclingmaterial überprüft werden. Die zu entwickelnden Prozessschritte in ReKath sollen verfahrenstechnisch möglichst einfach gestaltet werden, damit diese von KMUs (z.B. Recycling- und Abfallverwertungsunternehmen, Anlagenhersteller, etc.) mit einem tragbaren prozesstechnischen Aufwand und damit auch betriebswirtschaftlich durchführbar sind. Die bisherigen hydro- und pyrometallurgischen Verfahrensansätze stellen dagegen aufwändige technische Prozesse dar, die in der Regel nur von großen und hochspezialisierten Unternehmen wirtschaftlich umsetzbar sind.

Acknowledgement

Das IGF-Vorhaben AiF 22819 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle+Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschafts-

forschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Hochaktive und langlebige Elektroden und MEAs für die alkalische Membran-Elektrolyse auf Basis von Katalysatoren aus Nichtedelmetallen (Ni, Fe, Co, Mo) und Nichtmetallen (P, S), durch galvanische Verfahren abgeschieden auf porösen Metall- und Kohlenstoffschichten

BACKGROUND

Die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Quellen zeichnet sich immer deutlicher als Schlüsseltechnologie für den Aufbau eines nachhaltigen und flexiblen Energiesystems ab. Das Ziel zukünftig zu entwickelnder Elektrolysetechnologien besteht darin, die Kosten des Wasserstoffs zu senken durch: (1) Anwendung von reichlich vorhandenen hochaktiven Katalysatoren und Elektrolyten; (2) Erhöhung der Wasserstoffproduktionsrate und -effizienz. Die Alkalische Membran-Wasserelektrolyse (AEMEL) bietet die Möglichkeit, die Vorteile einer Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEMEL) (hohe Stromdichte, hoher Wirkungsgrad) und die einer traditionellen alkalischen Elektrolyse (edelmetallfreie Katalysatoren, geringe Investitionskosten) zu kombinieren, wodurch sehr hohe Stromdichten bei geringen Gesamtkosten erzielt werden können. 

ZIEL

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Herstellung von hochaktiven, langlebigen und kostengünstigen industrierelevanten Elektroden für die AEMEL mit Hilfe der elektrochemischen Abscheidung und Verarbeitung dieser Elektroden zu einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Aktuell findet hauptsächlich die PEMEL-Anwendung im großtechnischen, industriellen Maßstab. Bedingt durch die stark sauren Bedingungen ist bei der PEM-Elektrolyse die Verwendung von Edelmetallkatalysatoren notwendig. Die alkalischen Bedingungen der AEM-Elektrolyse erlauben die Verwendung einer Vielzahl an nicht Edelmetallen als Katalysatoren. Die AEMEL hat im Vergleich zur PEM-Elektrolyse den Vorteil, dass ohne Verwendung von Edelmetallkatalysatoren potentiell identische Stromdichten wie bei der PEM-Elektrolyse erreicht werden können. Dies führt zu geringeren Investitionskosten. Im Gegensatz zur PEM-Elektrolyse ist die AEM-Elektrolyse noch nicht sehr umfangreich erforscht. Zum Erreichen der Industriereife ist Forschung in den Bereichen der Katalysator- und Substratentwicklung, der Entwicklung von Anionenaustausch-Membranen wie auch der Massenfertigung der Elektroden notwendig. 

ANSATZ

Ein vielversprechender Ansatz zur Herstellung neuer hochaktiver Katalysatormaterialien sowohl für die Anoden als auch für die Kathodenseite ist die galvanische Abscheidung von Nichtedelmetallen wie Nickel, Eisen, Kobalt oder Molybdän in Verbindung mit Nichtmetallen wie Phosphor oder Schwefel. 

Durch galvanische Abscheidung besteht die Möglichkeit, komplexe Strukturen bestehend aus definierten Metall oder Legierungsschichten in Kombination mit Nichtmetallen mit unterschiedlicher Zusammensetzung reproduzierbar in einem Schritt zu erzeugen. Im Projekt ist das fem für die Optimierung der Parameter zur galvanischen Abscheidung wie Elektrolytzusammensetzung, Temperatur, Stromdichte sowie die Puls- und Abscheidungsdauer zuständig. Darüber hinaus ist das fem für die elektrochemische Analyse wie auch der Charakterisierung der Morphologie und Zusammensetzung der galvanisch abgeschiedenen Elektrodenmaterialien zuständig. Die Ergebnisse der Charakterisierung sollen zu einem besseren Verständnis und der Aufklärung von Zusammenhängen zwischen der Morphologie der Katalysatorschicht, der Zusammensetzung und der Leistung und Haltbarkeit der Elektroden beitragen. Der Projektpartner, das Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT), ist für die Herstellung von Membran-Elektrodenanordnungen (eng.: membrane electrode assembly, MEA) und deren Charakterisierung zuständig.

Die im Rahmen des Projektes entwickelten edelmetallfreien Elektrodenmaterialien und MEAs sollen eine gleiche oder höhere Aktivität und Haltbarkeit aufweisen als aktuell kommerziell erhältlichen Elektroden mit Edelmetall-Elektrokatalysatoren für die Wasserelektrolyse. Die im Projekt entwickelten Parameter zur Herstellung von Elektroden über galvanische Abscheidung können durch die Verwendung von kommerziellen Elektrolyten sowie einfach zu bedienender Geräte bei der galvanischen Abscheidung kosteneffizient in größeren Maßstab von Industrieunternehmen übernommen werden. Die galvanische Abscheidung ermöglicht eine skalierbare Herstellung komplexer edelmetallfreier Elektrodenmaterialien für die Wasserelektrolyse.

ACKNOWLEDGEMENT

Das IGF-Vorhaben 22519N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Entwicklung einer kostengünstigen Nickel-Zink-Doppelfluss-Batterie für den Einsatz als stationärer Stromspeicher

Im Zuge der Energiewende stehen vor allem Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität und andere mobile Anwendungen im Fokus der Entwicklung. Weniger Beachtung finden stationäre Speicher, bei denen auch andere Speichersysteme vorteilhaft sind. Insbesondere Redox-Flow-Batterien (Redox-Flussbatterien), bei denen die Energie im Elektrolyten gespeichert ist und dieser kontinuierlich durch die Zelle gepumpt wird. Dadurch hängt die speicherbare Energie vom Tankvolumen des Elektrolyten ab und die Leistung der Zelle von der Pumpgeschwindigkeit und den absoluten Elektrodenflächen. Energie und Leistung sind damit anders als bei Lithium-Ionen-Batterien unabhängig voneinander skalierbar. Zudem lassen sich große Energiemengen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien deutlich kostengünstiger speichern, bei gleichzeitig längerer Lebensdauer.

Unter den Flussbatterien sind aktuell vor allem Vanadium-Redox-Flussbatterien verbreitet. Diese Systeme weisen jedoch eine vergleichsweise niedrige Energiedichte auf und enthalten teures und gesundheitsschädliches Material auf Vanadium-Basis. Außerdem ist die Membran innerhalb der Zelle aufgrund ihrer chemischen Instabilität gegenüber Vanadiumspezies eine kritische Komponente. Im Gegensatz dazu sind Flussbatterien auf Basis von Nickel und Zink vergleichsweise umweltfreundlich, günstig, gut verfügbar und versprechen eine hohe Energiedichte. In diesem Projekt soll daher ein neues Batteriesystem erforscht werden, bei dem Flüssigkeiten oder Pasten basierend auf Zink und Nickel-Oxiden bzw. -Hydroxiden genutzt werden. Die wiederaufladbare Kathode besteht dabei aus Nickel-Oxyhydroxid (NiOOH) und die Anode aus Zink. 

Anders als in bisherigen Arbeiten soll nicht nur ein alkalischer Elektrolyt gepumpt werden, sondern eine in Zink-Luft-Batterien bereits erfolgreich eingesetzte Suspension aus Zink-Partikeln in wässriger KOH verwendet werden. Diese Suspension ermöglicht durch die Bildung eines Perkolationsnetzwerkes der Zink-Partikel eine große aktive Oberfläche und damit insbesondere beim Entladen hohe Leistungsdichten. Auch auf der Nickel-Seite soll auf Basis der Erfahrungen mit der Zink-Suspension eine ähnliche Suspensionselektrode entwickelt werden. So entsteht eine Nickel-Zink-Doppelflussbatterie.

Schwerpunkt des Vorhabens ist die Auswahl und Weiterentwicklung geeigneter Stromableiter sowie optimierter Ladestrategien und Zelldesigns. Dabei ist das fem aufgrund seiner Expertise in der Galvano- und Batterietechnik bei der Untersuchung der Zink- und Nickelreaktion anhand von Modell-elektroden und mit Hilfe der umfangreichen analytischen Möglichkeiten an der Charakterisierung der Zellbestandteile vor und nach Verwendung in der Flusszelle beteiligt. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse wird dann eine mehrzellige Nickel-Zink-Doppelfluss-Batterie mit einer Leistung von 500 W entworfen, konstruiert und charakterisiert. An der Durchführung des Vorhabens sind die VARTA Microbattery GmbH,  Grillo-Werke AG, Rhenotherm Kunststoffbeschichtungs GmbH und Rudolf Clauss GmbH & Co. KG als Industriepartner und neben dem fem auch die Universität Duisburg-Essen (Lehrstuhl für Energietechnik) als Forschungseinrichtung beteiligt.

Das Verbundvorhaben NiZiFlow2 wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.