Lehrstuhl für
Werkstoffverarbeitung

Erforschung von neuartigen Materialien und Rezepturen für gedruckte wiederaufladbare Zink-Luft-Zellen (PrintEnergy)


Projektstart: Februar 2016
Projektende: Januar 2019


Projektmitarbeiter:

Externe Partner:

Varta Microbattery GmbH, Ellwangen
Grillo-Werke AG, Duisburg
Hochschule der Medien, Stuttgart
Elmeric GmbH, Rangendingen
Etifix GmbH, Grafenberg


Förderung:

Das Verbundprojekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Projektbeschreibung:

Teilvorhaben: Druckbare Anoden- und Kathodenmaterialien für Zink-Luft-Sekundärbatterien

Das Ziel des Projekts PrintEnergy ist die Erforschung neuartiger Materialien und Rezepturen für wiederaufladbare druckbare Zink-Luft-Zellen für einen Einsatz als stationäre Energiespeicher. Zur Herstellung sekundärer Zink-Luft-Zellen müssen sowohl die Materialien auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite modifiziert werden, was in diesem Teilprojekt durch unterschiedliche Ansätze verfolgt wird.

Die Elektrodenmaterialien kommerzieller primärer Zink-Luft-Zellen bestehen aus einer Zinkanode und einer kohlenstoff- und mangandioxidhaltigen Kathode. Während der Entladung bilden sich auf dem Zink durch Oxidation mit OH--Ionen Zinkoxide bzw. Zinkhydroxide, was zu einer irreversiblen Passivierung des Zinks führt. Um die Passivierung zu verringern sowie auch Dendritenbildung bei einer Wiederbeladung und dadurch Kurzschluss der Zelle zu vermeiden, werden die Zinkpartikel in diesem Teilprojekt mit Funktionsschichten versehen. Diese sollen fähig sein, in wässrigen Lösungen einen Gelelektrolyten zu bilden (siehe Abb. 1). Die Wiederaufladung soll verbessert und somit eine hohe Zyklenstabilität erreicht werden.

Kathodenseitig werden Katalysatoren erforscht, welche ein bifunktionales Verhalten zeigen, d.h. sie müssen sowohl für die Entladung (ORR: Oxygen Reduction Reaction) als auch für die Wiederaufladung (OER: Oxygen Evolution Reaction) aktiv sein. Diese Voraussetzung erfüllen die monofunktionalen Katalysatoren der kommerziellen Kathoden bei moderaten Ladeüberspannungen nicht. In diesem Teilprojekt werden daher bifunktionale Katalysatoren bzw. eine Kombination aus OER- und ORR-aktiven Katalysatoren durch unterschiedliche material- und verfahrenstechnische Lösungsansätze erforscht. Um Carbonatbildung an der Kathode bei der Ladung zu vermeiden, wird außerdem der Zusatz von kohlenstoffhaltigen Leitzusätzen verringert.

 Printenergy

Abb. 1: Schema Zink-Luft-Zelle mit modifizierten Elektrodenmaterialien.

 

Zusätzlich zur Modifizierung der Elektrodenmaterialien werden polymerbasierte Druckpasten aus den Anoden, Kathoden und dem Elektrolyt formuliert, welche flexibel sind, auf geeigneten Substraten haften, nicht austrocknen und elektronische Leitfähigkeit gewährleisten.