Neuartige Anodenkonzepte für Zink-Luft- und Lithium-Ionen-Batterien

Deckenbach, Daniel (2024)
Neuartige Anodenkonzepte für Zink-Luft- und Lithium-Ionen-Batterien.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027622
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27622

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit werden neuartige Anodenkonzepte für Zink-Luft und Lithium-Ionen-Batterien als elektrochemische Energiespeicher für zukünftige Anforderungen in Hochleistungsanwendungen vorgestellt. Gegenstand des Promotionsvorhabens sind zum einen Zink-LuftBatterien als aufstrebende Technologie für eine sichere und nachhaltige Energiespeicherung und zum anderen Lithium-Ionen-Batterien, die im Kontext der Elektromobilität besondere Herausforderungen hinsichtlich einer schnellen Wiederaufladbarkeit zu lösen haben. Mit der Forschung an einem Zinkoxid-Kohlenstoff-Verbundmaterial für alkalische Zink-LuftBatterien wurde eine neuartige Zinkelektrode entwickelt. Im Vergleich zu den bisher verwendeten konventionellen Zinkanoden weist dieses innovative Material eine deutlich verbesserte Speicherkapazität und Wiederaufladbarkeit auf. Die Forschungsergebnisse wurden im Januar 2021 im Journal of Power Sources veröffentlicht. Durch eine detaillierte Analyse der Grenzschicht zwischen Zinkelektrode und Elektrolyt konnten wichtige Erkenntnisse über die Wiederaufladbarkeit von Zink-Luft-Batterien gewonnen werden. Dabei wurde der üblicherweise verwendete Zinküberschuss sowie der alkalische Elektrolyt als Schwachpunkte für die Weiterentwicklung dieser Technologie identifiziert. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts wurden im April 2023 in Advanced Materials Interfaces veröffentlicht. Diese Erkenntnisse führten zu einer Neubewertung des gesamten Zink-Luft-Batteriesystems mit dem Ziel, nicht nur den Elektrolyten zu ersetzen, sondern eine Doppelnutzung zu ermöglichen, welche den Einsatz einer Zinkanode überflüssig macht. Dies führte zur Entwicklung einer anodenfreien Zink-Luft-Batterie, die im Februar 2024 erstmalig in Small vorgestellt wurde. Die Forschungsarbeiten zu Lithium-Ionen-Batterien wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens „PERSEUS: Aufbau einer skalierbaren Prozesstechnologie zur Herstellung von binderfreien Elektroden für den Einsatz in Energiespeicheranwendungen basierend auf funktionalisierten Carbon Nanohorns“ durchgeführt. Hierbei wurden binderfreie Elektroden auf Basis von Kohlenstoffnanohörnern für den Einsatz in schnellladefähigen Energie-speichern entwickelt. Die Ergebnisse sind in der Technischen Informationsbibliothek Hannover veröffentlicht.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2024

Autor(en):

Deckenbach, Daniel

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Neuartige Anodenkonzepte für Zink-Luft- und Lithium-Ionen-Batterien

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Schneider, Prof. Dr. Jörg J. ; Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang

Publikationsjahr:

5 August 2024

Ort:

Darmstadt

Kollation:

136 Seiten in verschiedenen Zählungen

Datum der mündlichen Prüfung:

17 Juni 2024

DOI:

10.26083/tuprints-00027622

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27622

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

This thesis presents novel anode concepts for zinc-air and lithium-ion batteries as electrochemical energy storage systems for future requirements in high-performance applications. The doctoral project focuses on zinc-air batteries as an emerging technology for safe and sustainable energy storage and on lithium-ion batteries, which face particular challenges in terms of rapid rechargeability in the context of electromobility. Research into a zinc oxide-carbon composite material for alkaline zinc-air batteries has led to the development of a new type of zinc electrode. Compared to the conventional zinc anodes used to date, this innovative material has a significantly improved storage capacity and rechargeability. The research results were published in the Journal of Power Sources in January 2021. A detailed analysis of the interface between the zinc electrode and electrolyte provided important insights into the rechargeability of zinc-air batteries. The excess zinc commonly used and the alkaline electrolyte were identified as weak points for the further development of this technology. The results of this research project were published in Advanced Materials Interfaces in April 2023. These findings led to a re-evaluation of the entire zinc-air battery system with the aim of not only replacing the electrolyte, but also enabling dual utilisation, which would make the use of a zinc anode superfluous. This led to the development of an anode-free zinc-air battery, which was presented for the first time in Small in February 2024. The research work on lithium-ion batteries was carried out as part of the research project "PERSEUS: Development of a scalable process technology for the production of binder-free electrodes for use in energy storage applications based on functionalized carbon nanohorns". Binder-free electrodes based on carbon nanohorns were developed for use in fast-charging energy storage systems. The results have been published in the Hanover Technical Information Library.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-276225

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

07 Fachbereich Chemie
07 Fachbereich Chemie > Eduard Zintl-Institut > Fachgebiet Anorganische Chemie
07 Fachbereich Chemie > Eduard Zintl-Institut > Fachgebiet Anorganische Chemie > Organometallchemie
07 Fachbereich Chemie > Eduard Zintl-Institut

TU-Projekte:

PTJ|03XP0199E|Perseus

Hinterlegungsdatum: