Herstellung und Charakterisierung bifunktioneller Sauerstoffelektroden für hochenergetische Lithium-Luft-Batterien

Abstract

Der zunehmende Energiebedarf mobiler und portabler Anwendungen sowie das Ziel, den Bedarf an elektrischer Energie des täglichen Lebens aus regenerativen Energien zu decken, führt zu ständig wachsenden Anforderungen an heutige Energiespeicher. Als Energiespeicher mit einer hohen Vielseitigkeit und Energiedichte hat sich die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) in vielen Bereichen etabliert. Trotz großer Anstrengungen bei der Erhöhung der Energiedichte stößt die LIB aufgrund der verwendeten Aktivmaterialien an ihre Grenzen. Lithium-Batterien der nächsten Generation versprechen jedoch eine signifikante Steigerung der Energiedichten und besitzen das Potenzial, die Energiespeicher der Zukunft zu sein. Metall-Luft-Batterien und im Speziellen der Lithium-Luft-Batterie (LAB) wird dabei die größte Steigerung der Energiedichte zugetraut. Bevor diese Batterien jedoch ihren Weg in die Anwendung finden können, müssen viele Fragestellungen geklärt werden. Als eine schwierige Fragestellung gilt die Entwicklung einer bifunktionellen Sauerstoff-/Gasdiffusionselektrode zur Katalyse der Lade- und Entladereaktion der Lithium-Luft-Batterie. Die Herausforderung stellt dabei nicht die Katalyse der Entladereaktion (Sauerstoffreduktion), sondern die bei der Ladung stattfindende Sauerstoffentwicklung dar. In der vorliegenden Arbeit sollte eine bifunktionelle Sauerstoffelektrode entwickelt und charakterisiert werden, welche eine geringe Überspannung bei diesen Reaktionen realisiert. Zur Entwicklung einer solchen Sauerstoffelektrode ist das Auffinden von möglichst effektiven Katalysatoren unverzichtbar. Neben dem umfangreichen Sichten möglicher Katalysatoren mussten auch entsprechende Herstellverfahren zur technischen Umsetzbarkeit untersucht werden. In einem nächsten Schritt konnten dann bifunktionelle Elektroden mit entsprechenden Katalysatoren zum Vergleich untereinander hergestellt werden und strukturelle sowie materialwissenschaftliche Parameter dieser Elektroden weiter untersucht werden. Im Fall der Katalysatoren stellte sich das Co3O4 als vielversprechend heraus, so dass hiermit weiter verfahren wurde. Die Kombinationen aus Co3O4 mit zum einen Ag und zum anderen Ni wurden auf das optimale Verhältnis der beiden Katalysatoren untersucht und mit Maßstab Ag bzw. Ni/IrO2-Elektroden verglichen. Für die sich als sehr vielversprechend herausstellende Kombination aus Ag und Co3O4 wurde anschließend weiter der Einfluss der Elektrodendicke, der Porosität, der Temperatur, der Elektrolytkonzentration und des Gases auf die erreichten Stromdichten untersucht. Als letzte Punkte folgten eine materialwissenschaftliche Untersuchung der verwendeten Materialien über einen Lade- und Entladezyklus und eine Simulation des Einflusses von Strukturparametern auf beispielsweise die Permeation von Gasen durch die Gasdiffusionselektrode (GDE). Es konnte gezeigt werden, dass der Katalysator, die Zusammensetzung, die Elektrodendicke, die Temperatur und die Elektrolytkonzentration den wohl größten Einfluss auf die Stromdichten der Gasdiffusionselektroden haben. Eine Veränderung der Porosität wirkte sich bei den untersuchten GDEs entgegen der Erwartungen stets negativ aus.