Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Renaissance der Eisen-Luft-Batterie

03.11.2017

Jülicher Forscher zeigen Lade- und Entladereaktionen im laufenden Betrieb mit Nanometer-Präzision

Eisen-Luft-Batterien versprechen eine deutlich höhere Energiedichte als heutige Lithium-Ionen-Batterien. Ihr Hauptbestandteil, Eisen, ist zudem ein häufig vorkommendes und somit günstiges Material. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich sind eine der treibenden Kräfte bei der Neuerforschung des seit den 1970er Jahren bekannten Konzepts.


Aufnahme mittels in-situ-Rasterkraft-Mikroskopie: Veränderung der Elektroden-Oberfläche über vier Lade- / Entladezyklen (Redox-Zyklen) hinweg

Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich


Gravimetrische und volumetrische Energiedichten verschiedener Metall-Luft-Batteriesysteme im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien und Benzin

Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich


Schematische Darstellung des Messprinzips: Die Spitze des elektrochemischen in-situ-Rasterkraft-Mikroskops scannt die Oberfläche der Eisen-Elektrode. Über die Ablenkung eines reflektierten Laserstrahls werden räumliche Unebenheiten detektiert und im Laufe mehrerer Zyklen miteinander verglichen. Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich

Zusammenarbeit mit dem US-amerikanischen Oak Ridge National Laboratory gelang es ihnen, mit Nanometer-Präzision zu beobachten, wie sich im laufenden Betrieb Ablagerungen an der Eisen-Elektrode bilden. Ein vertieftes Verständnis der Lade- und Entladereaktionen gilt als Schlüssel für die Weiterentwicklung des wiederaufladbaren Batterietyps bis zur Marktreife. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachmagazin Nano Energy erschienen.

Unter anderem wegen unüberwindbarer technischer Schwierigkeiten war die Forschung zu Metall-Luft-Batterien in den 1980er Jahren für lange Zeit ins Stocken geraten. In den letzten Jahren stieg das Forschungsinteresse jedoch rapide wieder an. Eisen-Luft-Batterien beziehen Energie aus der Reaktion von Eisen mit Sauerstoff.

Das Eisen oxidiert dabei ganz ähnlich wie beim Rosten. Der dafür benötigte Sauerstoff kann aus der Umgebungsluft bezogen werden und muss nicht in der Batterie vorgehalten werden. Diese Materialersparnis ist der Grund, warum Metall-Luft-Batterien enorme Energiedichten erzielen.

Für Eisen-Luft-Batterien wird eine theoretische Energiedichte von über 1.200 Wh/kg vorhergesagt. Zum Vergleich: Aktuelle Lithium-Ionen-Akkus kommen auf etwa 600 Wh/kg bzw. 350 Wh/kg, wenn man das Gewicht des Zellgehäuses mit berücksichtigt. Lithium-Luft-Batterien, die technisch noch deutlich schwieriger und aufwendiger zu realisieren sind, können sogar bis zu 11.400 Wh/kg erreichen.

In Bezug auf die volumetrische Energiedichte schneiden Eisen-Luft-Akkus sogar noch besser ab. Mit 9.700 Wh/l ist diese fast fünfmal höher als die heutiger Lithium-Ionen-Akkus (2.000 Wh/l). Selbst Lithium-Luft-Batterien erreichen hier „nur“ 6.000 Wh/l. Eisen-Luft-Batterien sind folglich insbesondere für vielfältige mobile Anwendungen interessant, bei denen der Platzbedarf eine große Rolle spielt.

„Wir konzentrieren uns mit unserer Forschung ganz bewusst auf Batterietypen aus Materialien, die sehr häufig in der Erdkruste vorkommen und in großer Menge gefördert werden“, erklärt Institutsleiter Prof. Rüdiger-A. Eichel. „Versorgungsengpässe sind so nicht zu erwarten. Damit verbunden ist zudem ein Kostenvorteil, der sich direkt auf die Batterie übertragen lässt – insbesondere für großskalige Anwendungen, etwa für stationäre Anwendungen zur Stabilisierung des Stromnetzes oder die Elektromobilität.“

Schwierige Bedingungen für die Analyse

Die nun gewonnenen Erkenntnisse der Jülicher Forscher schaffen eine neue Basis, um die Eigenschaften der Batterie gezielt zu verbessern. Mittels sogenannter elektrochemischer in-situ-Rasterkraftmikroskopie am Center for Nanophase Materials Sciences des US-amerikanischen Oak Ridge National Laboratory konnten sie mit Nanometer-Präzision beobachten, wie sich Ablagerungen aus Eisenhydroxid-Partikeln (Fe(OH)2) an der Eisenelektrode unter Bedingungen bilden, wie sie auch beim Laden und Entladen der Batterie vorherrschen.

„Der hohe pH-Wert von 13,7 stellt schon eine grenzwertige Bedingung für das Instrument dar“, erläutert Henning Weinrich vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). „In Oak Ridge waren wir die ersten, die ein derartiges Experiment unter realistischen Bedingungen durchführen konnten“, so Weinrich, der für die Messungen drei Monate lang in die USA gereist war.

Ablagerungen erhöhen Kapazität

Die Leistung der Batterie verringert sich durch die Ablagerungen nicht. Im Gegenteil: Weil die nanoporöse Schicht die aktive Oberfläche der Elektrode vergrößert, trägt sie dazu bei, dass sich die Kapazität nach jedem Lade- und Entladezyklus ein klein wenig erhöht. Durch die Untersuchungen erhalten die Forscher von diesem Schichtwachstum nun erstmals ein vollständiges Bild. „Bis jetzt war man davon ausgegangen, dass sich die Ablagerungen beim Laden wieder zurückbilden. Doch das ist ganz offensichtlich nicht der Fall“, erläutert Dr. Hermann Tempel vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). Zudem lässt sich nun erstmals ein direkter Zusammenhang zwischen der Schichtbildung an der Elektrodenoberfläche und den elektrochemischen Reaktionen nachweisen.

Bis zur Marktreife ist es aber noch ein weiter Weg. Elektroden aus Eisen lassen sich isoliert in Laborversuchen zwar schon ohne größere Leistungsverluste über mehrere Tausend Zyklen hinweg betreiben. Vollständige Eisen-Luft-Batterien, die als Gegenpol mit einer Luft-Elektrode ausgestattet sind, halten bis jetzt aber nur 20 bis 30 Zyklen lang durch.

Die Ergebnisse wurden im Rahmen Projekts „Hochtemperatur- und Energiematerialien“ finanziert, das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde und durch eine Kooperationsvereinbarung zwischen dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und dem Forschungszentrum Jülich ermöglicht. Beide Einrichtungen arbeiten bereits seit 2008 auf verschiedenen wissenschaftlichen Gebieten eng zusammen.

Originalpublikation:

Understanding the nanoscale redox-behavior of iron-anodes for rechargeable iron-air batteries
Henning Weinrich, Jérémy Come, Hermann Tempel, Hans Kungl, Rüdiger-A. Eichel, Nina Balke
Nano Energy 41 (available online 10 October 2017), DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.023

Weitere Informationen:

Institut für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Center for Nanophase Materials Sciences, Oak Ridge National Laboratory

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Rüdiger-A. Eichel
Leiter des Instituts für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Tel.: +49 2461 61-5124
E-Mail: Sekretariat-Eichel@fz-juelich.de

Dr. Hermann Tempel
Institut für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Tel.: +49 2461 61-96570
E-Mail: h.tempel@fz-juelich.de

Henning Weinrich
Institut für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Tel.: + 49 2461 61-96753
E-Mail: h.weinrich@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Forschungszentrum Jülich, Unternehmenskommunikation
Tel.: +49 2461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de

Tobias Schlößer | Forschungszentrum Jülich GmbH
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2017/2017-11-3-eisen-luft-batterie.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Implantate aus Nanozellulose: Das Ohr aus dem 3-D-Drucker
15.01.2019 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht Atomarer Mechanismus der Supraschmierung aufgeklärt
11.01.2019 | Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedankenexperiment mithilfe eines verschränkten Atom-Licht-Zustands.

Bereits 1935 formulierte Erwin Schrödinger die paradoxen Eigenschaften der Quantenphysik in einem Gedankenexperiment über eine Katze, die gleichzeitig tot und...

Im Focus: Flying Optical Cats for Quantum Communication

Dead and alive at the same time? Researchers at the Max Planck Institute of Quantum Optics have implemented Erwin Schrödinger’s paradoxical gedanken experiment employing an entangled atom-light state.

In 1935 Erwin Schrödinger formulated a thought experiment designed to capture the paradoxical nature of quantum physics. The crucial element of this gedanken...

Im Focus: Implantate aus Nanozellulose: Das Ohr aus dem 3-D-Drucker

Aus Holz gewonnene Nanocellulose verfügt über erstaunliche Materialeigenschaften. Empa-Forscher bestücken den biologisch abbaubaren Rohstoff nun mit zusätzlichen Fähigkeiten, um Implantate für Knorpelerkrankungen mittels 3-D-Druck fertigen zu können.

Alles beginnt mit einem Ohr. Empa-Forscher Michael Hausmann entfernt das Objekt in Form eines menschlichen Ohrs aus dem 3-D-Drucker und erklärt: «Nanocellulose...

Im Focus: Nanocellulose for novel implants: Ears from the 3D-printer

Cellulose obtained from wood has amazing material properties. Empa researchers are now equipping the biodegradable material with additional functionalities to produce implants for cartilage diseases using 3D printing.

It all starts with an ear. Empa researcher Michael Hausmann removes the object shaped like a human ear from the 3D printer and explains:

Im Focus: Roter Riesenvollmond in den Morgenstunden des 21. Januar

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Frühaufsteher sind diesmal im Vorteil: Wer am Morgen des 21. Januar 2019 vor 6:45 Uhr einen Blick an den Himmel wirft, kann eine totale Mondfinsternis bestaunen. Dann leuchtet der sonst so strahlende Vollmond zwischen den Sternbildern Zwillingen und Krebs glutrot.

Um das Finsternis-Spektakel in seiner gesamten Länge zu verfolgen, muss man allerdings sehr früh aus dem Bett: Kurz nach 4:30 Uhr beginnt der Mond sich langsam...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wie Daten und Künstliche Intelligenz die Produktion optimieren

16.01.2019 | Veranstaltungen

Unsere digitale Gesellschaft im Jahr 2040

16.01.2019 | Veranstaltungen

Superbeschleuniger im Fokus

16.01.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

So schnell erwärmen sich die Dauerfrostböden der Welt

16.01.2019 | Geowissenschaften

Wirken Strahlen besser mit Gold?

16.01.2019 | Förderungen Preise

Wie Daten und Künstliche Intelligenz die Produktion optimieren

16.01.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics