Projekt LiMES
Entwicklungsprozesse bei chemischen Speichern beschleunigt
Elektrochemische Anwendungen beschleunigen und bei Akkus, Batterien, Elektrolyseuren und Brennstoffzellen weiterkommen: Das ist den beiden Projektpartnern, der Firma rhd instruments und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), gelungen. Mit dem optimierten Messverfahren und der neuen Testumgebung können Wissenschaftler, die neuartige Elektrolyte und Separatoren entwickeln, künftig Zeit sparen und Entwicklungsprozesse schneller vorantreiben.
Elektrolyte und Separatoren sind Kernbestandteile von Akkumulatoren und Batterien. Um frühzeitig im Entwicklungsprozess aussichtsreiche von nicht so erfolgversprechenden Kandidaten unterscheiden zu können, haben die Projektpartner eine einfache und kostengünstige Methode entwickelt, mit der sich die Leistung der Materialien vorhersagen lässt.
Im Rahmen des Verbundvorhabens LiMES hat das Forschungsteam nun geprüft, ob sich die am KIT entwickelte und patentierte Methode, das sogenannte PCDC-Verfahren (englisch “Programmed Current Derived Chronopotentiometry“), zur Leistungsprognose eignet. Außerdem entwickelte das rhd-Team eine optimierte Labortestzelle für die Methode.
Innovative Methode hat viele Vorteile
Das war deswegen so wichtig, weil bisherige Verfahren mit großen Herausforderungen verbunden sind. Zum Beispiel erfordern sie speziell geschultes Personal und können aufgrund mangelnder Standardisierung und hoher Fehleranfälligkeit nicht zufriedenstellend wiederholt werden. Dies hemmt die Forschung so enorm, dass das LiMES-Projektteam das neue PCDC-Verfahren untersuchte. Wie das Team beweisen konnte, ist das Verfahren einfacher und kostengünstiger einsetzbar, weil kleinere Probenmengen erforderlich sind, die Innovativität der PCDC-Methode in Verbindung mit der Testzelle die experimentelle Unsicherheit senkt und sich die Testzelle ohne Werkzeug zusammen- und auseinanderbauen lässt.
Beim PCDC-Verfahren wird eine Messzelle eingesetzt, in welcher sich zwei metallische Alkalimetall-Elektroden in einem definierten Abstand zueinander gegenüberstehen. Der Zwischenraum ist mit flüssigem Elektrolyt gefüllt. Es wird ein zeitlich linear ansteigender Strom aufgeprägt und die sich einstellende Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden gemessen. Bei einer bestimmten Stromstärke steigt die Potenzialdifferenz sehr stark an. Diese Grenzstromstärke und die zugehörige Potenzialdifferenz sollten laut Patentschrift einen einfachen Zugang zu Elektrolyt-spezifischen Kennzahlen gewähren und zudem vorhersagen, wie gut der untersuchte Elektrolyt in der späteren Anwendung funktioniert. Um Separatoren zu charakterisieren, werden sie in der Messzelle mittig zwischen die Elektroden eingebaut. Dadurch trennen sie den elektrolytgefüllten Raum in zwei Halbräume auf. Aus dem unterschiedlichen Anstieg des Potenzials mit und ohne eingebauten Separator sollten Kennzahlen zugänglich sein, die für das eingesetzte Separatormaterial spezifisch sind.
Fachleute können die gewonnenen Forschungsergebnisse künftig nutzen, um die Elektrolytparameter Gesamtleitfähigkeit und Salzdiffusionskoeffizient abzuschätzen. In Verbindung mit der Testzelle lässt sich zudem die Leitfähigkeit von elektrolytbenetzten Separatoren untersuchen. Davon abgesehen kann das Verfahren über den Batterie-Bereich hinaus noch für andere Anwendungsfelder genutzt werden. Denkbar sind zum Beispiel Membranen von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen.
Ergebnisse nützlich für Praxis und Lehre
Die Testzelle hat rhd instruments unter dem Namen „TCE Cell One“ auf den Markt gebracht. Um sicherzustellen, dass Anwender die PCDC-Methode anwenden können, hat das Forschungsteam Anwendungshinweise, sogenannte Application Notes, veröffentlicht. Darüber hinaus bietet Konsortialführer rhd instruments alle mit der Testzelle durchführbaren Untersuchungen als Servicemessungen an – das ermöglicht Nutzern ohne eigenes Labor und technisches Personal, für ihre Produkte wichtige Materialien untersuchen zu lassen. Am KIT wird die Methode für weitere Forschungsprojekte verfügbar sein. Zudem findet sie Eingang in die Lehre. So wird sichergestellt, dass die Methode künftigen Generationen von Wissenschaftlern und Technikern zur Verfügung steht.
Projektmitarbeiter Dr. Marcel Drüschler sagt: „Forschende, die an für die Energiewende entscheidenden wichtigen Elektrolyten und Separatoren arbeiten, haben nun nützliche und effiziente Werkzeuge an der Hand, um dringende Entwicklungsprozesse schneller voranzutreiben“ und fügt hinzu: „Mit den Ergebnissen haben wir gezeigt, dass eine enge Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft ein sehr fruchtbarer Boden für Innovationen ist. Unsere unterschiedlichen Denkweisen – auf der einen Seite tiefgehendes Methodenverständnis, auf der anderen Seite das Streben, technische und wirtschaftliche Aspekte zu optimieren – waren ausschlaggebend für unseren Erfolg.“ (kkl)