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Eisen-Luft-Batterien versprechen eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien
Sep 07, 2018

Eisen-Luft-Batterien versprechen eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien

 

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Gravimetrische und volumetrische Energiedichten verschiedener Metall- Luft-Batterie-Systeme im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien und konventionellem Benzin Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich

 

Eisen-Luft-Batterien versprechen eine wesentlich höhere Energiedichte als heutige Lithium-Ionen-Batterien. Darüber hinaus ist ihr Hauptbestandteil - Eisen - ein reichlich vorhandenes und daher billiges Material. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich gehören zu den treibenden Kräften bei der erneuten Erforschung dieses Konzepts, das in den 1970er Jahren entdeckt wurde. Gemeinsam mit dem American Oak Ridge National Laboratory (ORNL) konnten sie erfolgreich mit Nanometergenauigkeit beobachten, wie sich während des Betriebs Ablagerungen an der Eisenelektrode bilden. Ein tieferes Verständnis der Lade- und Entladevorgänge wird als Schlüssel für die Weiterentwicklung dieses Akkutyps zur Marktreife angesehen. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Zeitschrift Nano Energy veröffentlicht.

Aus Gründen, die unüberwindbare technische Schwierigkeiten mit sich brachten, wurde die Erforschung von Metall-Luft-Batterien in den 1980er Jahren lange Zeit aufgegeben. In den letzten Jahren hat sich das Forschungsinteresse jedoch rasant erhöht. Eisen-Luft-Batterien beziehen ihre Energie aus einer Reaktion von Eisen mit Sauerstoff. In diesem Prozess oxidiert das Eisen fast genau so, wie es beim Rosten der Fall wäre. Der für die Reaktion benötigte Sauerstoff kann der Umgebungsluft entnommen werden, so dass er nicht in der Batterie gespeichert werden muss. Diese Materialeinsparung ist der Grund für die hohen Energiedichten von Metall-Luft-Batterien.

Es wird vorhergesagt, dass Eisen-Luft-Batterien theoretische Energiedichten von mehr als 1200 Wh / kg aufweisen. Im Vergleich dazu liegen die heutigen Lithium-Ionen-Batterien bei ungefähr 600 Wh / kg und sogar noch weniger (350 Wh / kg), wenn das Gewicht des Zellengehäuses berücksichtigt wird. Lithium-Luft-Batterien, die technisch wesentlich schwieriger und aufwändiger zu realisieren sind, können Energiedichten von bis zu 11.400 Wh / kg aufweisen. Bei der volumetrischen Energiedichte schneiden Eisen-Luft-Batterien noch besser ab: Mit 9.700 Wh / l ist sie fast fünfmal so hoch wie die der heutigen Lithium-Ionen-Batterien (2.000 Wh / l). Selbst Lithium-Luft-Batterien haben " nur " 6.000 Wh / l. Eisen-Luft-Batterien sind daher besonders interessant für eine Vielzahl von mobilen Anwendungen, bei denen der Platzbedarf eine große Rolle spielt.

" Wir konzentrieren uns bewusst auf die Erforschung von Batterietypen aus Materialien, die in der Erdkruste reichlich vorkommen und in großen Mengen produziert werden ", erklärt Institutsleiter Prof. Rüdiger-A. Eichel. " Versorgungsengpässe sind somit nicht zu erwarten. Das Konzept ist auch mit einem Kostenvorteil verbunden, der insbesondere für großtechnische Anwendungen wie stationäre Einrichtungen zur Stabilisierung des Stromnetzes oder Elektromobilität direkt auf die Batterie übertragen werden kann. "

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Veränderungen an der Elektrodenoberfläche im Verlauf von vier Lade- / Entladezyklen (Redox). Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich

 

Schwierige Bedingungen für die Analyse

Die Erkenntnisse der Jülicher Forscher schaffen eine neue Basis, um die Eigenschaften der Batterie gezielt zu verbessern. Mittels in situ elektrochemischer Atomkraftmikroskope am Zentrum für Nanophasen - Materialwissenschaften am Oak Ridge National Laboratory konnten sie beobachten, wie sich unter ähnlichen Bedingungen wie an der Eisenelektrode Ablagerungen von Eisenhydroxidpartikeln (Fe (OH) 2) bilden Laden und Entladen.

" Allein der hohe pH-Wert von 13,7 stellt eine Grenzbedingung für das Gerät dar ", erklärt Henning Weinrich vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). " Wir waren die ersten in Oak Ridge, die ein solches Experiment unter realistischen Bedingungen erfolgreich durchgeführt haben ", sagt Weinrich, der sich speziell für die Messungen drei Monate in den USA aufgehalten hat.

Einlagen erhöhen die Kapazität

Die Ablagerungen verringern nicht die Leistung der Batterie. Da im Gegensatz dazu die nanoporöse Schicht die aktive Oberfläche der Elektrode erhöht, trägt sie zu einer kleinen Erhöhung der Kapazität nach jedem Lade- und Entladezyklus bei. Dank der Untersuchungen haben die Forscher erstmals ein vollständiges Bild dieses Schichtwachstums erhalten. " Früher wurde angenommen, dass die Abscheidung während des Ladens umgekehrt wird. Das ist aber offensichtlich nicht der Fall ", erklärt Dr. Hermann Tempel vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). Darüber hinaus wurde erstmals eine direkte Verbindung zwischen der Schichtbildung an der Elektrodenoberfläche und den elektrochemischen Reaktionen nachgewiesen.

Bis zur Marktreife ist es jedoch noch ein weiter Weg. Obwohl isolierte Elektroden aus Eisen in Laborexperimenten für mehrere tausend Zyklen ohne größere Leistungsverluste betrieben werden können, haben komplette Eisen-Luft-Batterien, die eine Luftelektrode als Gegenpol verwenden, bisher nur 20 bis 30 Zyklen gedauert.

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Schematische Darstellung der Messmethode: Die Spitze des in situ elektrochemischen Rasterkraftmikroskops tastet die Oberfläche der Eisenelektrode ab. Die Laserstrahlablenkung zeigt räumliche Unregelmäßigkeiten, die über mehrere Zyklen hinweg miteinander verglichen werden können. Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich

 

Die Ergebnisse wurden im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts zu Hochtemperatur- und Energiematerialien gewonnen. Dies wurde durch eine Kooperationsvereinbarung zwischen dem Oak Ridge National Laboratory und dem Forschungszentrum Jülich ermöglicht. Beide Einrichtungen arbeiten seit 2008 in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen eng zusammen.

 

来源 : Henning Weinrich, et al., " Verständnis des nanoskaligen Redoxverhaltens von Eisenanoden für wiederaufladbare Eisen-Luft-Batterien ", Nano Energy, 2017; doi: 10.1016 / j.nanoen.2017.10.023