Energie-Materialien
Der Programmbereich Energie-Materialien entwickelt und erforscht funktionelle Materialien für elektrochemische Anwendungen. Im Vordergrund stehen nachhaltige und energieeffiziente Applikationen zum Speichern (Superkondensatoren, Batterien), Abrufen und Rückgewinnen von Energie sowie zur effizienten Wasseraufbereitung (kapazitive Entsalzung). Diese Breite von Anwendungen wird durch optimierte Nanomaterialien ermöglicht. Aus organischen und anorganischen Präkursoren werden nanoporöse Kohlenstoffmaterialien und Kohlenstoff-Hybrid-Materialien abgeleitet, deren chemische, morphologische und elektrische Eigenschaften durch chemische und physikalische Verfahren präzise eingestellt werden können. Die Größenskala reicht dabei von Sub-Nanonometer-Poren (z.B. carbide-derived carbons), Nanopartikeln (z.B. carbon onions, novolak-abgeleitete Kohlenstoffe) und elektrogesponnenen Nanofasern bis hin zu mm- oder cm-großen Monolithen. Elektrochemische Methoden und neue In-situ-Verfahren bilden einen besonderen Schwerpunkt.
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Elektrochemische Energiespeicherung (EES) zeichnet sich durch besonders hohe Effizienz und kurze Ladezyklen aus. Diese Kriterien gelten insbesondere für Superkondensatoren, die sich durch eine besonders hohe Leistungsdichte und Langlebigkeit auszeichnen. Superkondensatoren können auf faradayschen oder nicht-faradayschen Interaktionen an der Flüssig-Fest-Phasengrenze zwischen Elektrolyt und Elektrode beruhen und werden entsprechend als Pseudokondensatoren oder elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLC) bezeichnet. Letztere speichern nur rein physikalisch, durch Ionenelektrosorption, Energie und grenzen sich hiermit vor allem durch die stoffliche oder chemische Energiespeicherung von Brennstoffzellen und Batterien ab. Redox-Reaktionen und neue Batteriesysteme (z.B. Lithium-Schwefel-Batterien) sowie Hybrid-Materialien sind weitere wichtige Forschungsschwerpunkte.
Wir entwickeln Messmethoden und untersuchen Langzeitstabilität und Belastbarkeit, sondern setzen In-situ-Methoden ein, um Energiespeichermechanismen zu erforschen. Daneben erforschen wir den Einsatz kostengünstiger Synthesewege und umweltverträgliche Elektrodenpräparation.
Die elektrische Doppelschicht kann neben der Energiespeicherung auch zur effizienten Wasseraufbereitung mittels kapazitiver Entionisierung (CDI) genutzt werden. CDI basiert auf einem reversiblen elektrochemischen Prinzip. In der elektrischen Doppelschicht werden Ionen elektrosorbiert und hierdurch einem an den Elektroden vorbei (oder hindurch) fließenden Flüssigkeitsstrom durch Immobilisierung entzogen. Die hohe Energieeffizienz dieser Technologie lässt sich im Modellsystem NaCl in Wasser darstellen: Für ein Elektron an der Anode und einer positiven Ladung an der Kathode wird im Idealfall je ein Kation und ein Anion elektrosorbiert. Durch den Einsatz von fließfähigen Elektroden (FCDI) kann der CDI Prozess kontinuierlich gestaltet werden und die Entwicklung von Hybrid-Materialien erlaubt die deutliche Steigerung der Entsalzungskapazität.
Abb. 3 Kapazitive Entionisierung
Eine wichtige Säule unserer Arbeit ist die Synthese und die Charakterisierung von funktionellen Materialien, vor allem aber Nanokohlenstoffen und Hybridmaterialien mit hoher spezifischer Oberfläche. Eine wichtige Gruppe hierbei sind präkursor-abgeleitete Kohlenstoffe, die aus Biomasse, Polymeren oder Karbiden gewonnen werden. Hybride, welche Kohlenstoffmaterialien mit redoxaktiven Materialien wie Polymeren, Metalloxiden, Metallnitriden oder funktionellen Gruppen verbinden, werden von uns eingesetzt, um die Energiedichte zu erhöhen. Insbesondere ist die sehr genaue Kontrolle der Porengröße und Porenverteilung von karbid-abgeleitetem Kohlenstoff (CDC) und Novolak-abgeleitetem Kohlenstoff wichtig, um den Einfluss der Porosität auf die elektrochemischen Eigenschaften zu untersuchen. Hierzu kommen auch verschiedene spektroskopische, volumetrische und beugungstechnische In-situ-Methoden zum Einsatz. Besonders interessant ist die Möglichkeit, durch Formgebung Nanofasern, Sub-Mikrometer-Kugeln, oder Dünnfilme herzustellen und somit neue Anwendungen zu ermöglichen.
Abb. 4
A) Kohlenstoff-Komposit-Ekektrode, B) Kohlenstoffnanozwiebel mit Chinonen, C) Manganoxid auf Kohlenstoffnanofaser, D) Metallkarbid/Nanokohlenstoff Hybrid-Faser
Lithium-Ionen-Batterie Recycling mit elektrochemischen Extraktionsverfahren (eLiRec)
Die Wiedergewinnung von Wertstoffen aus Lithium-Ionen-Batterien wird mit einem größer werdenden Markt an Lithium-Ionen-Batterien (Elektromobilität, Stromnetzstabilisierung) immer attraktiver. Zugleich ergeben regulatorische Zwänge auf nationaler und europäischer Ebene eine deutliche Erhöhung der Stoffwiedergewinnung, des Recyclings und des Schließens von zirkulären Stoffkreisläufen.
Der aktuelle Stand der Technik der Gewinnung von Lithium und anderen Wertstoffen, wie Kobalt, bezieht sich ausschließlich auf nasschemische und physikalische Prozesse. Altbatterien werden in aggressiven Säuren aufgelöst bzw. pyrometallurgisch vorbehandelt und dann Separationsprozessen unterworfen. Das am INM erforschte, elektrochemische Verfahren ist deutlich umweltfreundlicher, da es keine hohen Temperaturen oder Chemikalien verbraucht.
Im Projekt eLiRec erforschen wir die elektrochemische Separierung von Lithium, Kobalt, Mangan und Nickel. Hierzu kommt die eLiRec-Zelle zum Einsatz. Diese setzt elementselektive Elektrodenmaterialien, wie Lithiumeisenphosphat und Berliner Blau ein, welche durch Modifikation der Kristallstruktur sehr selektiv, z.B. nur für Lithium sind. Lithium, beispielsweise, wird dann hochselektiv beim Laden der eLiRec Zelle aufgenommen und kann kontrolliert wieder abgegeben werden. Hierdurch erhält man iterativ eine hochangereicherte Lösung mit z.B. fast ausschließlich Lithium, welches dann wieder für die Herstellung von neuen LIB-Modulen genutzt werden kann.
Das Vorhaben wird aus Mitteln des europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.Näheres zur Förderung durch die Europäische Union und den EFRE finden Sie hier: https://www.saarland.de/mwide/DE/portale/wirtschaft/strukturfondsfoerderung/efre/efre_node.html
Elektrokatalytische Wasserentsalzung zur Erzeugung von Frischwasser für die Wasserstoffproduktion (eWEWA)
Power-to-Gas bezeichnet die Nutzung von Strom zur Erzeugung von Gas. Beispielsweise durch die Elektrolyse wird Wasser in Wasserstoff gewandelt, der als Energieträger auch für alternative Mobilitäts- und Industriekonzepte von essenzieller Bedeutung ist. Ein oft übersehenes Problem bei Power-to-Gas ist jedoch die Herkunft des zu elektrolysierenden Wassers. Heutige Elektrolysezellen leiden stark und degradieren schnell, wenn eine hohe Salzfracht in dem Wasser vorhanden ist. Jedoch darf die Nutzung von Frischwasser zur Wasserstoffproduktion nicht mit der Nutzung als Trinkwasser und für die Landwirtschaft in Wettbewerb treten. Daher sind neue Konzepte zur effektiven Wasserentsalzung von hoher Bedeutung.
Der Programmbereich Energie-Materialien und das InnovationsZentrum INM erforschen zu diesem Zweck elektrochemische Niederspannungstechnologien, bei denen gleichzeitig Strom erzeugt, Wärme abgeben und Trinkwasser und die Grundchemikalien Natriumhydroxid und Salzsäure erzeugt werden.
Im Rahmen des Projektes eWEWA werden wir von einem Laboraufbau ausgehend die Technologie weiterentwickeln, um wichtige Leistungsparameter für spätere industrierelevante Anwendungsfelder zu überführen. Dabei adressieren wir insbesondere die Hochskalierung der Entsalzungsbrennstoffzelle, in diesem Kontext die Energieeffizienz, die Qualität des Entsalzungsprozesses und die Bewertung der Wirtschaftlichkeit.
Da unser Verfahren für alle Wasserarten geeignet ist lässt sich perspektivisch ein riesiger Markt erschließen: von den Küstenregionen und Binnenländern, von Industrieabwasser bis hin zu natürlichem Wasser. Diese Vielseitigkeit in Bezug auf initiale Salzgehalte und der niedrige Energieverbrauch des von uns genutzten Verfahrens sind deutlich im Unterschied zu etablieren Verfahren, wie der Umkehrosmose oder der Nanofiltration zu sehen.
Das Vorhaben wird aus Mitteln des europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
Näheres zur Förderung durch die Europäische Union und den EFRE finden Sie hier:
https://www.saarland.de/mwide/DE/portale/wirtschaft/strukturfondsfoerderung/efre/efre_node.html
Biologisierte Synthese des 2D-Nanomaterials MXene für Anwendungen als Katalysator zur Wasserstofferzeugung und als hochleistungsfähige Batterieelektrode (Bio-MXene)
MXene sind eine neuartige und sehr vielfältige Gruppe von 2D-Nanomaterialien mit enormem Applikationspotenzial für Batterien, Sensoren, druckbare Elektronik, Katalyse (z.B. Wasserstofferzeugung), optische Anwendungen, biomedizinische Anwendungen und die Wasseraufbereitung. Heute gängige Wege zur Herstellung von MXenen erfordern umwelttechnisch problematische, fluorhaltige Reaktanden oder einen hohen Energieaufwand. Zur großskaligen Nutzung von MXenen für viele Zukunftstechnologien ist es daher von entscheidender Bedeutung neue, umweltfreundlichere, sichere und skalierbare Methoden zur Herstellung dieses vielversprechenden Nanomaterials zu entwickeln.
Das Projekt Bio-MXene wird die biologisierte Herstellung von MXenen durch bakterielle Ätzung von schwefelbasierten MXen-Präkursoren etablieren und die Eignung der bio-synthetisierten MXene für die Wasserstofferzeugung und für Energiespeicherapplikationen als zwei von vielen Anwendungsfeldern speziell untersuchen. Im Kontext der biologisierten Herstellung von MXenen soll begleitend eine frühzeitige Risikoabschätzung erfolgen, die im Sinne eines „Safe-by-Design“ Konzeptes zur Optimierung des Produktes und seiner nachhaltigen Herstellung beiträgt. Hochperformante, umweltfreundlich hergestellte Batteriematerialien nehmen angesichts einer zunehmenden Rohstoffverknappung eine große strategische Rolle ein.
Das Vorhaben wird aus Mitteln des europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
Näheres zur Förderung durch die Europäische Union und den EFRE finden Sie hier:
https://www.saarland.de/mwide/DE/portale/wirtschaft/strukturfondsfoerderung/efre/efre_node.html