Entwicklung einer Zink-Ionen-Batteriezelltechnologie mit wässrigen Elektrolyten für stationäre Anwendungen

Fitz, Oliver

• Verlag: Cuvillier Verlag
• Jahr: 2023
• eBook-ISBN:
  9783736968592
• ISBN drucken:
  9783736978591
• Auflage: 1

Die Promotion beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Batteriespeichers auf Basis der Zink-Mangandioxid-Batterietechnologie mit wässrigen Elektrolyten (ZMB). Diese Zellchemie bietet Vorteile im Bereich der Sicherheit, der Materialverfügbarkeit, der Kosten und der Umweltverträglichkeit und stellt damit eine vielversprechende Alternative zu den Lithium-Ionen-Batterien im Bereich der stationären Energiespeicherung dar. Auf Basis verschiedener Elektroden-Herstellungsverfahren (Rakelbeschichtung, Elektroabscheidung) können im Rahmen dieser Arbeit reproduzierbare Batterie-Elektroden sowie poröse 3D-Strukturen auf flexibel wählbaren Trägermaterialien hergestellt und erfolgreich zykliert werden. Der Reaktionsmechanismus der Batteriezellchemie wird anhand von pH-Untersuchung im Elektrolyten in Zinksulfat-basierten Elektrolyten tiefgehend untersucht und die wesentlichen Reaktionsmechanismen identifiziert. Die Entwicklung von wässrigen Elektrolyten mit pH-Puffereigenschaften führt zu einer signifikanten Erhöhung des Entladepotentials und damit der möglichen Energiedichte dieser Zellchemie. Die Langzeitstabilität kann ebenfalls signifikant erhöht werden. Abschließend wird ein Batteriemodul-Prototyp konstruiert und erfolgreich hergestellt. Die elektrochemische Charakterisierung bestätigt die Funktionsfähigkeit des Batteriemodul-Konzepts. Die techno-ökonomische Bewertung zeigt dabei ein hohes Kostenreduktionspotential gegenüber dem Stand der Technik bei der Lithium-Ionen-Batterietechnologie.

Inhaltsverzeichnis

• Abkürzungsverzeichnis
• Kurzzusammenfassung
• Abstract
• 1 Einleitung
• 2 Grundlagen & Methoden
• 2.1 Elektrochemische Grundlagen
• 2.2 Nernst-Gleichung
• 2.3 pH-Wert & pH-Puffer
• 2.4 Potential-pH-Diagramm
• 2.5 Cyclovoltammetrie
• 2.6 Elektrochemische Impedanzspektroskopie
• 3 Stand der Technik
• 3.1 Einführung
• 3.2 Materialien
• 3.3 Reaktionsmechanismus
• 3.4 Batteriemodul – industrielle Ansätze
• 4 Evaluation des Elektroden-Herstellungsverfahrens
• 4.1 Hintergrund
• 4.2 Evaluation des Rakelbeschichtungsverfahrens mit unterschiedlichenBindermaterialien
• 4.3 Evaluation der Elektroabscheidung als Herstellungsverfahren
• 4.4 Evaluation der Materialstruktur an der Anode
• 4.5 Zwischenfazit
• 5 Reaktionsmechanismus & Elektrolyt
• 5.1 Elektrolytstudie mit in-operando pH-Untersuchungen
• 5.2 Identifikation von pH-Puffersubstanzen
• 5.3 Untersuchung von pH-Pufferelektrolyten
• 5.4 Zwischenfazit
• 6 Herstellung eines Batteriemodul-Prototyps
• 6.1 Konstruktion
• 6.2 Modulbau
• 6.3 Elektrochemische Charakterisierung
• 6.4 Techno-ökonomische Bewertung
• 6.5 Diskussion
• 7 Zusammenfassung & Ausblick
• 7.1 Zusammenfassung
• 7.2 Ausblick
• A Anhang
• Literaturverzeichnis
• Publikationen
• Studentische Arbeiten
• Lebenslauf
• Danksagung
• Selbstständigkeitserklärung