Entwicklung von bifunktionellen Elektroden für Metall-Luft-Batterien

Elektrochemischen Stromspeichern kommt bei der Energiewende eine wichtige Rolle zu. Im Bereich der Elektromobilität und der stationären Energiespeicherung werden von wieder aufladbaren Metall-Luft-Batterien besondere Fortschritte erwartet. Derzeit befindet sich eine Reihe von Metall-Luft-Batterien in der Entwicklungsphase, die jeweils auf unterschiedlichen Metallen an der negativen Elektrode basieren. Reaktand an der positiven Elektrode ist Luftsauerstoff, für dessen Entnahme aus der Luft keine Kosten entstehen.

Eine Kernkomponente von Metall-Luft-Batterien stellt daher die Luftelektrode dar. Bei der Realisierung von wieder aufladbaren Metall-Luft-Batterien werden hochaktive Gasdiffusionselektroden für die Sauerstoffreduktion beim Entladen und die Sauerstoffentwicklung beim Laden der Batterie benötigt. Bei der Luftelektrode werden im Wesentlichen zwei unterschiedliche Strategien verfolgt: getrennte Lade- und Entladeelektroden sowie bifunktionelle Elektroden.

Nach dem Stand der Technik werden auf der Luftseite zwei galvanisch getrennte Elektroden für den Lade- und den Entladevorgang in die Batteriezelle integriert und je nach Betriebsmodus verschaltet. Für die Sauerstoffentwicklung beim Laden sind herkömmliche Nickel-basierte Elektroden aus der alkalischen Wasserelektrolyse oder sogenannte dimensionsstabile Anoden wie z.B. IrO₂/Ti einsetzbar. Die Gasdiffusionselektroden für die Entladung basieren nach dem Stand der Technik auf Manganoxid oder Silber. Als Nachteil von zwei separaten Elektroden auf der Luftseite ist das relativ komplexe Zelldesign bzw. Elektrodendesign zu nennen, welches zudem zu einer geringeren Energiedichte (Wh/kg) der Batterie führt.

Zielstellung des Projekts ist die Entwicklung von zyklenstabilen und preiswerten bifunktionellen Luftelektroden, an denen Luftsauerstoff sowohl reduziert (Entladebetrieb) als auch wieder erzeugt (Ladebetrieb) werden kann. Die Hauptmotivation hierfür liegt in der Möglichkeit äußerst kompakte Metall-Luft-Batterien zu bauen, die eine hohe Energiedichte aufweisen. Die Gaskatel GmbH als Hersteller von Gasdiffusionselektroden für alkalische Brennstoffzellen und Batterien besitzt langjähriges Know-how in der Elektrodenfertigung. Die zu entwickelnden bifunktionellen Elektroden sollen für den Einsatz in alkalischen Medien, insbesondere in Zn-Luft- und Fe-Luft-Batterien, konzipiert werden. Bifunktionelle Luftelektroden sind bisher als kommerzielles Produkt nicht erhältlich.

Das Projekt ist eine Kooperation von Gaskatel und dem Lehrstuhl. Die Elektroden werden bei Gaskatel entwickelt und hergestellt. An der Universität Duisburg-Essen findet dann die eingehende Untersuchung der Elektroden statt.

Das Projekt wird  von der AiF mit Mitteln aus dem Förderprogramm „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM) gefördert.