Batterien & Brennstoffzellen

Forschungsthemen des Clusters

  • Katalysatoren und Gasdiffusionselektroden für Brennstoffzellen
  • Werkstoffentwicklung, -charakterisierung, Oberflächenfunktionalisierung
  • Redox-Flow Batterien
  • Bifunktionelle Katalysatoren für Metall/Luft-Speichersysteme
  • Interkalationsmaterialien für die Al-Ionen Batterie
  • Einsatz von ionischen Flüssigkeiten als Elektrolyt
  • Verkokungsresistente Katalysatoren für die Syngas-Herstellung

Weltweit steigt der Energiebedarf. Gleichzeitig sind fossile Brennstoffe begrenzt und über die Energiegewinnung aus Kohle und Kernspaltung wird kontrovers diskutiert.
Der Energiemix wird sich in den kommenden Jahren deshalb radikal verändern. Zu den wichtigsten Zielen der Bundesregierung bis 2050 zählt u.a. der Ausbau der erneuerbaren Energien auf 60% des Bruttoendenergieverbrauchs bzw. 80% des Bruttostromverbrauchs.
Um saisonale und wetterbedingte Schwankungen der Energiegewinnung auszugleichen, werden neue flexible Energiespeicher benötigt. Als Bestandsteil des Puzzles werden neben riesigen Pumpenspeichern bzw. Gaskavernen noch elektrochemische Speicher bzw. Wandler in stationären aber auch in mobilen Anwendungen als Brückenglied in Betracht gezogen. Darunter zählen u.a. Elektrolyseure und Brennstoffzellen zur Wasserstoff-Erzeugung bzw. -Verbrennung, Doppelschicht-Kondensatoren sowie neben den etablierten Blei-und NiMH-Akkumulatoren Redox-Flow-, Lithium-Ionen- und Zink/Luft-Batterien. Aufgrund der begrenzten Vorkommen an aktiven Materialien, wie z. B. Platin, Kobalt, Lithium, Nickel, Vanadium und deren stets steigenden Preisen, ist eine optimal Anpassung bzw. Auslegung der jeweiligen Technologien an die entsprechende Anwendung sowie der Recyclingaspekt von großer Bedeutung.

Im Zuge der Energiewende sind einige BMBF/BMWI-Projekte mit DFI-Beteiligung gestartet, bei denen innovative Konzepte zur zentralen bzw. dezentralen Energieversorgung, z.T. in Verbindung mit Stoffnutzung und Netzstabilisierung, weiter verfolgt werden. Der „Batterien & Brennstoffzellen“-Cluster ist deshalb sehr breit aufgestellt und bietet entsprechend eine wertvolle Diskussionsplattform für interdisziplinäre Kompetenzen aus allen Arbeitsgruppen. In vielen Forschungsprojekten wird neben der Aktivität ebenfalls die Stabilität der jeweiligen Komponenten systematisch untersucht bzw. verbessert. Bei den Niedertemperatur-Brennstoffzellen stehen im „Gra2Kat“-Vorhaben die Entwicklung mesoporöser Kohlenstoffe durch eine soft template-Route und die Stabilisierung von Pt-Katalysator durch Legieren im Fokus. Redox-Flow-Batterien sind eine vielversprechende Technologie zur Energiespeicherung mit flexibler Skalierbarkeit und gutem Wirkungsgrad. Im Verbundprojekt „DegraBat“ werden Degradationsprozesse an All-Vanadium-Redox-Flow-Batterien (AVRFB) aufgeklärt und unter anderem elektrochemische Methoden zur Identifizierung der relevanten Prozesse im Vanadium-Elektrolyten sowie zur gezielten und beschleunigten Alterung von Redox-Flow-Komponenten entwickelt. Ziel ist es, die Lebensdauer von AVRFB-Systemen vorherzusagen. Im Verbundprojekt „PhotoFlow“ wird eine neuartige, direkt durch Sonnenlicht aufladbare  Redox-Flow-Batterie entwickelt. Dazu werden spezielle Halbleiterelektroden und deren Bandlücke maßgeschneidert und für organische Elektrolyte weiterentwickelt.

Aufgrund ihres niedrigen Dampfdrucks und der extrem hohen elektrochemischen Stabilität stellen ionische Flüssigkeiten eine perspektivenreiche Alternative zu herkömmlichen alkalischen Elektrolyten in Metall/Luft-Batterien bzw. organischen Elektrolyten in Li-Ion-Batterien dar. Diese Fragestellung wird im grund­lagenorientierten „LuZi“-Projekt am Beispiel des Zink/Luft-Systems eingehend untersucht. Im Zuge der Post-Lithium-Ära rücken u.a. neuartige Metall-Ionen-Batterien wie z.B. die Al-Ionen-Batterie mit u.a. EMImCl-AlCl3 als Elektrolyt in den Vordergrund. Leistungsfähige und stabile Interkalationsmaterialien für die negativgeladenen AlCl4--Ion werden in „Alionund „AliBatt intensiv untersucht.

Mit zunehmender Menge eingespeister erneuerbarer Energie ins Netz steigen die saisonal bedingten Schwankungen und dadurch der Bedarf an Zwischenspeichern, vor allem wenn die Produktion die Nachfrage deutlich übertrifft. Zur Nutzung des Überschussstromes - auch als abgeregelter Strom bezeichnet - stehen einige Konzepte zur Umwandlung der elektrischen in chemischer Energie zur Auswahl. Einige davon, darunter die Hochtemperatur co-Elektrolyse von Wasser und Kohlenstoffdioxid zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Synthesegas), werden im Rahmen des „P2XKopernikus-Projektes hinsichtlich technischer Machbarkeit, Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Akzeptanz evaluiert. Am DFI wird der Einfluss der Temperatur sowie der Gaszusammensetzung auf die Aktivität von Nickel und alternativen Katalysatoren zuerst hinsichtlich der reversiblen Wasser-Gas-Shift-Reaktion (rWGSR) in einem Rohrreaktor und anschließend in einem Festoxid-Elektrolyseur (SOEC) evaluiert. Der Einfluss des Druckes bis zu 10 bar auf die Kohlenstoffbildung wird im Rohrreaktor untersucht.

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