Innovativer Separator für chemisch stabile Lithium-Luft-Batterien
Lithium-Luft-Batterien gelten als vielversprechende Technologie für Hochenergiebatterien der nächsten Generation. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Energiedichte sind sie insbesondere für den Einsatz in der Elektromobilität und der stationären Energiespeicherung attraktiv. Derzeit mangelt es jedoch an einem passenden Elektrolyten, der sowohl an der positiven als auch an der negativen Elektrode chemisch stabil ist. Dieser Herausforderung widmet sich das Verbundprojekt „Alternative Materialien und Komponenten für aprotische Lithium/Sauerstoff-Batterien: Chemie und Stabilität der Inaktiv-Komponenten“ (kurz: AMaLiS 2.0), in dem das Heilbronner Unternehmen IOLITEC Ionic Liquids Technologies, das MEET Batterieforschungszentrum der Universität Münster, die Universität Oldenburg sowie das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) ihre Kräfte bündeln. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Vorhaben über drei Jahre mit rund 1,1 Millionen Euro.
Optimierung des Elektrolyten separat für Anode und Kathode
In der Forschung bisher wenig berücksichtigt sind die Inaktivmaterialien in Lithium-Luft-Batterien. Um die Stabilität dieses Batterietyps zu erhöhen, rückt das Forschungsteam deshalb sowohl den Separator als auch den Elektrolyten in den Fokus, welche die Elektroden in der Zelle räumlich trennen und elektrisch voneinander isolieren. In Lithium-Luft-Batterien besteht eine Elektrode aus metallischem Lithium, die andere – die Gasdiffusionselektrode – aus einem porösen Material, an der Sauerstoff (O2) aus der Luft reduziert wird. „Wir erproben einen beidseitig beschichteten Separator, um die Auswahl möglicher Elektrolyte für Lithium-Luft Batterien zu erweitern. Dafür optimieren wir getrennt voneinander die Beschichtung für die Lithiumelektrode auf der einen und für die Gasdiffusionselektrode auf der anderen Seite“, sagt MEET Wissenschaftlerin Verena Küpers.
Gemeinsam mit dem Team von IOLITEC entwickeln die MEET Wissenschaftler*innen den am MEET designten Separator weiter. Hierbei testen die Forschenden verschiedene Beschichtungen, die speziell an die Herausforderungen der jeweiligen Elektrode angepasst sind. Durch den Einsatz geeigneter ionischer Flüssigkeiten soll dabei die Grenzflächenstabilität verbessert werden. Das Team der Universität Oldenburg untersucht die Vorgänge auf der Oberfläche des Separators und der Elektroden mit verschiedenen Verfahren, darunter Oberflächenspektroskopie und elektrochemische Rastermikroskopie (SECM). Am Fraunhofer IFAM stellen die Forschenden eine neuartige Gasdiffusionselektrode aus nanostrukturiertem Titancarbid her. Indem sie mit einer speziellen Membran kombiniert wird, soll sie das Eindringen störender Luftbestandteile wie Kohlendioxid oder Wasserdampf in die Zelle verhindern.
Skalierbarkeit der Ergebnisse im Fokus
Ziel des Verbundprojekts ist es außerdem, die Skalierbarkeit der erzielten Ergebnisse nachzuweisen. Für diesen Zweck wird eine Flachzelle mit einer Fläche von 25 Quadratzentimetern gebaut. Sie soll in einem ersten Schritt zeigen, dass ein stabiles, wiederaufladbares Gesamtsystem realisierbar ist und bildet gleichzeitig den Ausgangspunkt für weitere Forschung.