Lithium-Ionen-Batterien dringen zurzeit in immer mehr Energiespeichermärkte vor. Ihre Energiedichte, ihr Ressourcenverbrauch und ihre Kosten sind aber nicht perfekt. Deshalb beteiligen wir uns an der Forschung zu zahlreichen neuartigen Batteriedesigns. Hochvoltkathoden benötigen neue stabile Elektrolyte wie Ionische Flüssigkeiten. Schwefel-Elektroden versprechen eine hohe Energiedichte bei günstigen Kosten. Lithium-Metall-Elektroden könnten die Energiedichte von Lithiumbatterien deutlich erhöhen. Wir studieren Zink-Batterien, die vor allem für stationäre Anwendungen Ihre Kostenvorteile ausspielen. Im Exzellenzcluster POLiS untersuchen wir auch Natrium- und Magnesium-Batterien.
Ionische Flüssigkeiten
Neue Elektrolyttechnologien sind notwendig, um Hochvoltbatterien zu entwickeln. Üblicherweise bestehen Elektrolyte aus einer neutralen Flüssigkeit (Solvent), welcher Salze beigemischt werden. Dabei kommt der Konzentration von Salz-Ionen im Elektrolyten eine besondere Rolle zu. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von Elektrolyten mit sehr hohem Anteil an Salz-Ionen. Sogenannte ionische Flüssigkeiten bestehen sogar ausschließlich aus Flüssig-Salzen, und bedürfen keines neutralen Solventen.
Mit steigender Salzkonzentration sind die Elektrolytkomponenten immer stärker miteinander und mit den Elektroden korreliert. Um diese physikalischen Effekte ganzheitlich zu beschreiben, entwickeln wir eine neuartige Transporttheorie auf Basis der Nichtgleichgewichtsthermodynamik. Unsere Theorie erlaubt die Beschreibung elektrochemischer Prozesse auf verschieden Skalen. So können wir bestimmen, welche Parameter zur Beschreibung des Elektrolyttransports notwendig sind. Unsere Transporttheorie erhöht die Vorhersagekraft von Zellsimulationen. Außerdem können wir unsere Theorie auf elektrochemische Grenzflächen anwenden. Wir wollen so die ausgeprägten quasi-kristallinen Ionenschichten charakterisieren und verstehen, die an Batterieelektroden auftreten.
Metall-Schwefel Batterien
Metall-Schwefel Batterien versprechen eine deutliche Steigerung der Energiedichte im Vergleich zu Li-Ionen Batterien. Allerdings bleiben sowohl die Lebensdauer, die Effizienz und die praktische Energiedichte hinter den Erwartungen zurück. Durch ein besseres Verständnis der stark gekoppelten Transport- und Reaktionsprozesse in der Batterie soll die Grundlage geschaffen werden um das Potential dieser Technologie auszuschöpfen. Unsere Abteilung entwickelt daher neue Modelle für Lithium- und Magnesium-Schwefel Batterien, welche sowohl die Analyse und Interpretation experimenteller Arbeiten, als auch die Vorhersage verbesserter Materialien und Zellkonzepte ermöglichen.
Funktionsweise
Im Vergleich zu Lithium-Ionen Batterien basieren Metall-Schwefel Batterien auf einer Konversion der Aktivmaterialien. Fester Schwefel löst sich während der Entladung in einem flüssigen Elektrolyten und wird dann an der Oberfläche der positiven Elektrode reduziert. Die dabei entstehenden Polysulfide zeichnen sich durch eine hohe Löslichkeit und Mobilität in der Zelle aus. Dies führt zu einer Reihe von Degradationsmechanismen, die eng verbunden sind mit dem so-genannten Polysulfid-Shuttle. Am Ende der Entladung bilden sich wiederum feste Entladeprodukte, welche sich auf der Oberfläche der positiven und negativen Elektrode abscheiden können. An der negativen Elektrode kommt zumeist metallisches Lithium bzw. Magnesium zum Einsatz.
Elektrochemische Simulation von Metall-Schwefel Batterien
Das Verhalten von Metall-Schwefel Batterien wird maßgeblich durch die komplexen Reaktionsmechanismen des gelösten Schwefels und dem damit verbundenen Transport der Polysulfide in der Zelle bestimmt. Im Betrieb der Batterie kommt es damit zur ständigen Bildung und Auflösung fester Phasen, welche große Anforderungen an die Funktion und Integrität der Struktur der positiven Elektrode stellen. In unserer Abteilung werden Modelle von Metall-Schwefel Batterien entwickelt, welche die strukturellen Eigenschaften der Elektroden abbilden und deren Auswirkungen auf den Transport berücksichtigen. Dadurch können insbesondere Materialkonzepte simuliert werden, welche es zum Ziel haben die Polysulfide in der Elektrode zu binden. Unsere Modelle berücksichtigen explizit auch den Polysulfid-Shuttle und die damit verbundenen Degradationsmechanismen. Damit ermöglichen die Simulationen eine direkte Korrelation von Struktur- und Materialeigenschaften mit der kalendarischen Alterung und dem Kapazitätsverlust im Betrieb der Batterien.
Langfristiges Ziel der Abteilung ist es dabei strukturaufgelöste Simulationswerkzeuge für Metall-Schwefel Batterien zu entwickeln, welche Untersuchungen mit vergleichbarer struktureller Komplexität wie in Li-Ionen Batterien erlauben.
Eine wesentliche Komponente bei der Simulation von Metall-Schwefel Batterien ist eine möglichst exakte Modellierung der Transportprozesse im Elektrolyten. Insbesondere in Magnesium basierten Systemen kommt es zur Bildung verschiedener Komplexe und Cluster-artiger Strukturen. Diese haben sowohl einen großen Einfluss auf den Transport, als auch auf die Abscheidung der Magnesium Ionen. Die Grundlagen für die Entwicklung verbesserter Transport-Modelle für Magnesium Batterien werden von CEC in Kooperation mit unseren Partnern im EU-Projekt E-Magic gelegt.
Metall Elektroden
Metall-Elektroden rücken für die Entwicklung von Batterien mit hoher Energiedichte in den Fokus. Lithium-Metall Elektroden können mit Interkalationselektroden aus Lithium-Ionen-Batterien kombiniert werden. Zink-Metall-Elektroden harmonieren sogar mit Luft-Elektroden. Beim Abscheiden und Auflösen von Lithium auf der Anode bilden sich allerdings strukturelle Inhomogenitäten, welche die Leistung und die Sicherheit der Batterie beeinträchtigen.
Poröse Zink-Metall-Elektroden sind schon seit langem bekannt. Allerdings verformt sich diese Metall-Elektrode beim wiederholten Ent- und Aufladen. In unserem Simulationstool BEST könne wir diese Verformungen berechnen. Wir parametrisieren und validieren unsere Simulationen, indem wir mit Röntgentomographie den inneren Zustand der Elektrode aufnehmen. Wir simulieren, wie die aufgelösten Zink-Ionen sich im Elektrolyten bewegen und sich an anderer Stelle wieder abscheiden. Unser ziel ist die Optimierung der Elektroden im Hinblick auf die Zyklenfestigkeit.
Neben großen Dendriten, die im Extremfall die Elektroden kurzschließen können, werden bei Lithium-Metall auch nanoskalige Nadeln und meso-skaligen moosartigen Strukturen beobachtet. Bei der Entladung lösen sich diese Strukturen oft nicht vollständig auf, so dass totes Lithium entsteht. Darüber hinaus wird durch die große immer wieder neu entstehende Oberfläche viel SEI (solid electrolyte interphase) gebildet, was ebenfalls die aktive Menge an aktivem Lithium in der Batterie reduziert. Beide Effekte senken schnell die Kapazität einer Batterie mit einer metallischen Lithium-Anode. Die Wachstumsmorphologie hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel der angelegten Stromdichte, dem angelegten Druck und der Spannung der SEI. Um Vorhersagen für eine sichere Benutzung von Lithium-Metall-Elektroden zu machen, wollen wir den Einfluss aller Faktoren auf die morphologischen Instabilitäten quantitativ erfassen und sowohl das Abscheiden, als auch das Auflösen von Lithium modellieren.
Zink-Batterien
Zink Batterien sind aussichtsreiche Kandidaten auf der Suche nach umweltverträglichen, zyklenstabilen und preiswerten Materialsysteme zur stationären Batteriespeicherung. Ihr Vorteil ist die Verträglichkeit der Zink-Metall-Elektrode mit einem wässrigen Elektrolyten. So entsteht das Potential für Batterien mit hohen volumetrischen Energiedichten bei niedrigen Kosten und guter Umweltverträglichkeit. Wir modellieren die Zink-Metall-Elektrode in Kombination mit Luft-Elektroden und Interkalationselektroden.
Zink-Luft-Batterien
Zink-Luft-Batterien sind schon seit über einem Jahrhundert bekannt. In der Tat haben sie sich als Primärzellen für Hörgeräte durchgesetzt. Ihre Wiederaufladbarkeit ist aber eine Herausforderung. Luft-Elektroden benutzen den Sauerstoff aus der Umgebungsluft als Reaktionspartner für Zink. So entsteht eine Batterie mit hoher volumetrischer Energiedichte.
Wir beteiligen uns mit Theorieentwicklung und Simulation an der Erforschung dieser Batterien. Dabei studieren wir Zink-Luft-Batterien mit dem alkalischen Standardelektrolyten genauso wie neuartige Designs mit neutralen Elektrolyten. Wir modellieren das Ausfallen des Entladeprodukts Zinkoxid in der Anode genauso wie die komplizierte Balance zwischen Luft, Elektrolyt und Elektrode auf der Kathodenseite. Bei neutralen Elektrolyten haben wir eine Methode entwickelt, um die Komplexe in neutralen Elektrolyten dynamisch zu verfolgen. So konnten wir dort bereits anwendungsspezifisches Design und modellgestützte Optimierung von Elektrolyten durchführen.
Zink-Ionen-Batterien
Das Forschungsinteresse an Zink-Batterien mit einer Interkalationskathode ist in den letzten Jahren stark gestiegen, weil bestimmte neutrale, wässrige Elektrolyte, z.B. Zink-Sulfat Lösung, zusammen mit bekannten Kathoden aus primären Alkalibatterien eine gute Reversibilität zeigen. Im Gegensatz zu konventionellen Alkali-Batterien, wie sie im Handel für Haushaltselektronik zu erhalten sind, bewegen sich Zink-Atome zwischen den Elektroden hin und her. So werden deutlich höhere Ströme und zugleich eine ausgezeichnete Zyklenstabilität möglich.
Um diese Unterschiede zu verstehen, modellieren wir die Transportprozesse und explizit den Zink-Transport im Elektrolyten und wollen so ein Verständnis für die Rolle des Elektrolyten entwickeln. Dafür setzen wir volumengemittelte Zellmodelle ein, die die Komplexbildung im Elektrolyten beinhalten.