Aufbau und Validierung einer Segmentierungsdiagnostik für Gasdiffusionselektroden in Zink-Luft-Batterien

Abstract

Der Ausbau von erneuerbaren Energien und der damit verbundene steigende Bedarf an station¨ aren Energiespeichern, das Vordringen der Elektromobilit¨ at sowie die kontinuierliche Weiterentwicklung von elektronischen Ger¨ aten fuhrt zu einer steigenden Nachfrage an kleinen, leichten und g ¨ unstigen ¨ Energiespeichern mit einer hohen Ladungskapazit¨ at. In der Forschung und Entwicklung werden daher Zelltypen mit hoher spezifischer und volumetrischer Energiedichte sowie gunstigen Kompo- ¨ nenten angestrebt. Die sekund¨ are Zink-Luft Batterie stellt einen aussichtsvollen Kandidaten dar. Damit sich der Zelltyp jedoch durchsetzen kann, muss ein gewisser Grad an technologischem Level (engl. Technical Readiness Level) (TRL), Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit erreicht sein. Hierfur ist die Degradationsgeschwindigkeit beziehungsweise die Zyklenfestigkeit der Zelle eine ¨ wichtige charakteristische Gr¨ oße. Um diese zu maximieren, muss eine homogene Stromverteilung gew¨ ahrleistet sein. Dazu muss determiniert werden, in welcher Art und Gr¨ oße die Stromdichteverteilung durch verschiedene Einflusse ver ¨ ¨ andert wird. Zur Untersuchung wird folglich eine spezifische Messdiagnostik ben¨ otigt. In der vorliegenden Thesis wird die Entwicklung, Validierung und Anwendung einer Segmentierungsdiagnostik in einer Zink-Luft-Sekund¨ arzelle beschrieben. Mit dem entwickelten Messsystem werden Stromdichteeinflusse von Elektrolytf ¨ ullst ¨ ¨ anden, Variation des Gaseingangsortes und des Volumenstroms sowie Zellzyklisierung und Anodenaufl¨ osung untersucht. Die entwickelte Segmentationsdiagnostik hebt sich durch die modifizierte und ausgelagerte Messschaltung von den bestehenden Diagnostiken aus dem Brennstoffzellenbereich ab. Dadurch wird zur Messung lediglich eine segmentierte Stromkollektorfolie in der Messzelle ben¨ otigt, wodurch die Messdiagnostik fur verschieden Zelltypen und -geometrien angewendet werden kann. ¨ Die Messungen haben gezeigt, dass die entwickelte Segmentationsdiagnostik ortsaufgel¨ oste sowie zeitabh¨ angige Stromdichteverteilungen bis in den Zehntel-Milliampere-Bereich determinieren kann. Des Weiteren wurden Messergebnisse mittels Impedanzspektroskopie und zyklischer Voltammetrie in einer Steigrohrzelle erzielt, die stark auf einen hydrostatischen Einfluss des Elektrolyten auf die Stromdichteverteilung hinweisen. Die Messdiagnostik sowie die resultierenden Stromdichteverteilungen stellen einen grundlegenden Baustein fur weitere Untersuchungen zur Steigerung der Zyklenfestigkeit von Zink-Luft-Sekund ¨ ¨ arbatterien dar.