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Ausgewählte Ergebnisse aus dem Labor
Juli 2019Wiederaufladbare Metall-Sauerstoff-Batterien gelten als eine mögliche Technologie für den Einsatz in zukünftigen Energiespeichern. Besonders Alkalimetall-Sauerstoff-Batterien, wie zum Beispiel Lithium-Sauerstoff-Batterien, stehen vor allem wegen ihrer hohen theoretischen Energiedichte im Fokus von Industrie und Forschung. Da das während des Entladens gebildete Lithiumperoxid als Feststoff an der Kathodenstruktur ausfällt, spielen das Kathodendesign und das Verständnis über den Wachstumsmechanismus eine entscheidende Rolle, um eine maximale Energiedichten zu erzielen. Aus diesem Grund wird im BMBF-Verbundprojekt MeLuBatt – in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik (InES) der TU Braunschweig und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Oldenburg – derzeit das Wachstumsverhalten des Entladeprodukts in der Kathode von Lithium-Sauerstoff-Batterien untersucht. Das REM-Bild zeigt eine vergrößerte Kohlenstofffaser der Kathode, auf der sich toroidähnliche Li2O2-Partikel gebildet haben. Die Größe und Partikeldichte dieser Toroide ist dabei stark von der Verfügbarkeit an gelöstem Sauerstoff im Elektrolyten abhängig: Bei größerer Sauerstoffverfügbarkeit (auf der O2-Reservoirseite; oben im Bild) werden wenige, dafür aber deutlich größere Toroide gebildet, während tiefer im Elektrolyten (auf der Separatorseite; unten im Bild) die Toroide kleiner sind, jedoch in einer größeren Dichte aufwachsen. Das Diagramm verdeutlicht schematisch, wie die Größe und Dichte der Toroide von der O2-Verfügbarkeit im Elektrolyten, entlang einer Kohlenstofffaser, abhängen. (Bild eingereicht von Julian Kreißl, Daniel Langsdorf und Daniel Schröder).https://www.uni-giessen.de/de/fbz/fb08/Inst/physchem/janek/gallerypom/GdB2019/BdM0719/viewhttps://www.uni-giessen.de/@@site-logo/logo.png
Wiederaufladbare Metall-Sauerstoff-Batterien gelten als eine mögliche Technologie für den Einsatz in zukünftigen Energiespeichern. Besonders Alkalimetall-Sauerstoff-Batterien, wie zum Beispiel Lithium-Sauerstoff-Batterien, stehen vor allem wegen ihrer hohen theoretischen Energiedichte im Fokus von Industrie und Forschung. Da das während des Entladens gebildete Lithiumperoxid als Feststoff an der Kathodenstruktur ausfällt, spielen das Kathodendesign und das Verständnis über den Wachstumsmechanismus eine entscheidende Rolle, um eine maximale Energiedichten zu erzielen. Aus diesem Grund wird im BMBF-Verbundprojekt MeLuBatt – in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik (InES) der TU Braunschweig und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Oldenburg – derzeit das Wachstumsverhalten des Entladeprodukts in der Kathode von Lithium-Sauerstoff-Batterien untersucht. Das REM-Bild zeigt eine vergrößerte Kohlenstofffaser der Kathode, auf der sich toroidähnliche Li2O2-Partikel gebildet haben. Die Größe und Partikeldichte dieser Toroide ist dabei stark von der Verfügbarkeit an gelöstem Sauerstoff im Elektrolyten abhängig: Bei größerer Sauerstoffverfügbarkeit (auf der O2-Reservoirseite; oben im Bild) werden wenige, dafür aber deutlich größere Toroide gebildet, während tiefer im Elektrolyten (auf der Separatorseite; unten im Bild) die Toroide kleiner sind, jedoch in einer größeren Dichte aufwachsen. Das Diagramm verdeutlicht schematisch, wie die Größe und Dichte der Toroide von der O2-Verfügbarkeit im Elektrolyten, entlang einer Kohlenstofffaser, abhängen. (Bild eingereicht von Julian Kreißl, Daniel Langsdorf und Daniel Schröder).
November 2018Redox-Flow-Batterien eignen sich für die stationäre Zwischenspeicherung der durch regenerative Energieträger bereit gestellten und aufgrund von Umwelteinflüssen fluktuierenden Energie. Der spezielle Aufbau der Redox-Flow-Batterie ermöglicht es hierbei, die Energie in Form von flüssigen Elektrolyten unterschiedlicher Oxidationsstufen außerhalb der eigentlichen elektrochemischen Zelle zu speichern. Bei aktuellem Stand der Technik stellt das Aktivmaterial im Elektrolyten den Hauptkostenfaktor von Redox-Flow-Batterien dar. Zur effektiven Reduzierung der Herstellungs- und Betriebskosten sollen daher künftig kostengünstige organische Moleküle, die beispielsweise durch die Aufbereitung von Abfallprodukten aus der Zellstoffindustrie gewonnen werden könnten, als Aktivmaterial in Redox-Flow-Batterien eingesetzt werden.Auf der Suche nach potentiellen Zielmolekülen für diese Anwendung werden derzeit im BMEL-Projekt FOREST geeignete organische Verbindungen auf ihre Stabilität und Leistungsfähigkeit getestet. Das Bild zeigt den verwendeten Messaufbau für eine Redox-Flow-Batterie im Labormaßstab (Mitte). Die gelösten Aktivmaterialien – hier in Form eines organischen Elektrolyten auf der Anoden- und eines Vanadium(IV)-basierten Elektrolyten auf der Kathodenseite – werden mittels Pumpen in die Batterie befördert. Eine Referenzelektrode ermöglicht es, während der Zyklisierung der Batterie die Potentiale der Arbeits- (WE) und Gegenelektrode (CE) aufzuzeichnen und infolge dessen Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit und das Degradationsverhalten der Aktivmaterialien zu ziehen (rechts).Bild eingereicht von Dominik Emmel und Jonas Hofmann, AG Dr. Daniel Schröderhttps://www.uni-giessen.de/de/fbz/fb08/Inst/physchem/janek/gallerypom/GdB2018/BdM1118/viewhttps://www.uni-giessen.de/@@site-logo/logo.png
Redox-Flow-Batterien eignen sich für die stationäre Zwischenspeicherung der durch regenerative Energieträger bereit gestellten und aufgrund von Umwelteinflüssen fluktuierenden Energie. Der spezielle Aufbau der Redox-Flow-Batterie ermöglicht es hierbei, die Energie in Form von flüssigen Elektrolyten unterschiedlicher Oxidationsstufen außerhalb der eigentlichen elektrochemischen Zelle zu speichern. Bei aktuellem Stand der Technik stellt das Aktivmaterial im Elektrolyten den Hauptkostenfaktor von Redox-Flow-Batterien dar. Zur effektiven Reduzierung der Herstellungs- und Betriebskosten sollen daher künftig kostengünstige organische Moleküle, die beispielsweise durch die Aufbereitung von Abfallprodukten aus der Zellstoffindustrie gewonnen werden könnten, als Aktivmaterial in Redox-Flow-Batterien eingesetzt werden.Auf der Suche nach potentiellen Zielmolekülen für diese Anwendung werden derzeit im BMEL-Projekt FOREST geeignete organische Verbindungen auf ihre Stabilität und Leistungsfähigkeit getestet. Das Bild zeigt den verwendeten Messaufbau für eine Redox-Flow-Batterie im Labormaßstab (Mitte). Die gelösten Aktivmaterialien – hier in Form eines organischen Elektrolyten auf der Anoden- und eines Vanadium(IV)-basierten Elektrolyten auf der Kathodenseite – werden mittels Pumpen in die Batterie befördert. Eine Referenzelektrode ermöglicht es, während der Zyklisierung der Batterie die Potentiale der Arbeits- (WE) und Gegenelektrode (CE) aufzuzeichnen und infolge dessen Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit und das Degradationsverhalten der Aktivmaterialien zu ziehen (rechts).Bild eingereicht von Dominik Emmel und Jonas Hofmann, AG Dr. Daniel Schröder
Februar 2018Erhalten wir in elektrisch aufladbaren Zink–Luft Batterien wirklich immer nur ZnO als Entladeprodukt? Metall–Luft Batterien gelten heute als eine gute Alternative, um Energie zwischenzuspeichern. Dabei ist vor allem die Zn/Luft-Batterie aufgrund von geringen Herstellungskosten, Wiederverwendbarkeit und Sicherheit ein aussichtsreicher Kandidat. Aus diesem Grund steht die Entwicklung einer wiederaufladbaren Zn/Luft-Batterie in den letzten Jahren im Fokus der Forschung, und intensive Forschungsanstrengungen wurden unternommen, um ihre Zyklenstabilität zu erhöhen.Ein Schlüsselproblem der alkalischen elektrisch wiederaufladbaren Zn/Luft-Batterie ist die elektrochemische Reaktion an der Zn-Elektrode: Das Entladeprodukt ZnO kann nicht vollständig in Zn umgewandelt werden. In Allgemeinen wird die Bildung von ZnO durch eine Vielzahl an Parametern wie lokale Konzentrationsunterschieden, den pH-Wert und Diffusion von Zn-Ionen in der alkalischen Lösung beeinflusst. In einer elektrisch wiederaufladbaren Zn/Luft-Batterie werden die Keimbildung und das Wachstum von ZnO jedoch darüber hinaus auch vom Zusammenspiel zwischen Entlade- und Ladeprozess gelenkt.Wir haben herausgefunden, dass auch Batteriekomponenten, wie beispielsweise ein Stromabnehmer aus Zinn, die Art des Entladeprodukts während der Zellzyklisierung beeinflussen können. Die Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme zeigt orthorhombische ZnSnO3- und Zn2SnO4-Kristallite umgeben von hexagonalen ZnO-Röhren, die wir nach 25 Zyklen auf der Oberfläche der Zn-Elektrode beobachtet haben. Diese und weitere Untersuchungen sind Teil des Deutsch-Japanischen BMBF-Kooperationsprojektes „Zisabi“, um einen vertieften Einblick in die Prozesse der wiederaufladbaren Zn/Luft-Batterie zu erhalten. (Bild eingereicht von Saustin Dongmo und Daniel Schroeder.)https://www.uni-giessen.de/de/fbz/fb08/Inst/physchem/janek/gallerypom/GdB2018/BdM0218/viewhttps://www.uni-giessen.de/@@site-logo/logo.png
Erhalten wir in elektrisch aufladbaren Zink–Luft Batterien wirklich immer nur ZnO als Entladeprodukt? Metall–Luft Batterien gelten heute als eine gute Alternative, um Energie zwischenzuspeichern. Dabei ist vor allem die Zn/Luft-Batterie aufgrund von geringen Herstellungskosten, Wiederverwendbarkeit und Sicherheit ein aussichtsreicher Kandidat. Aus diesem Grund steht die Entwicklung einer wiederaufladbaren Zn/Luft-Batterie in den letzten Jahren im Fokus der Forschung, und intensive Forschungsanstrengungen wurden unternommen, um ihre Zyklenstabilität zu erhöhen.Ein Schlüsselproblem der alkalischen elektrisch wiederaufladbaren Zn/Luft-Batterie ist die elektrochemische Reaktion an der Zn-Elektrode: Das Entladeprodukt ZnO kann nicht vollständig in Zn umgewandelt werden. In Allgemeinen wird die Bildung von ZnO durch eine Vielzahl an Parametern wie lokale Konzentrationsunterschieden, den pH-Wert und Diffusion von Zn-Ionen in der alkalischen Lösung beeinflusst. In einer elektrisch wiederaufladbaren Zn/Luft-Batterie werden die Keimbildung und das Wachstum von ZnO jedoch darüber hinaus auch vom Zusammenspiel zwischen Entlade- und Ladeprozess gelenkt.Wir haben herausgefunden, dass auch Batteriekomponenten, wie beispielsweise ein Stromabnehmer aus Zinn, die Art des Entladeprodukts während der Zellzyklisierung beeinflussen können. Die Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme zeigt orthorhombische ZnSnO3- und Zn2SnO4-Kristallite umgeben von hexagonalen ZnO-Röhren, die wir nach 25 Zyklen auf der Oberfläche der Zn-Elektrode beobachtet haben. Diese und weitere Untersuchungen sind Teil des Deutsch-Japanischen BMBF-Kooperationsprojektes „Zisabi“, um einen vertieften Einblick in die Prozesse der wiederaufladbaren Zn/Luft-Batterie zu erhalten. (Bild eingereicht von Saustin Dongmo und Daniel Schroeder.)
Oktober 2017Die elektrochemische Synthese aus Ionischen Flüssigkeiten (ILs) bietet eine Alternative auf dem Weg zu ungewöhnlichen Edelmetallverbindungen, da bei dieser Route auf extreme Bedingungen (hohe Drücke oder Temperaturen, reaktive und gesundheits-/umweltgefährdende Edukte) verzichtet werden kann. Hierbei wird analog zu den Reaktionen in Metall-Luft-Zellen Sauerstoff an einer Kathode zum Superoxid reduziert (Red1: O2 + e– → O2–), Silber an der Anode oxidiert (Ox: Ag → Ag+ + e–) und diese können gemeinsam zu einem Silberoxid AgxOy ausfallen bzw. weiter disproportionieren. Die bei Ox entstehenden Metallkationen konkurrieren allerdings mit dem gelösten Sauerstoff an der Kathode um die Reduktion. Somit kann an der Kathode statt Red1 auch die umgekehrte Reaktion zu Ox ablaufen (Red2: Ag+ + e– → Ag) und die Sauerstoffreduktion unterdrückt werden.Sättigt man die IL ([Pyr13][TFSI]) mit Sauerstoff ist das Sauerstoffreduktionssignal bei einem Potential von -1,17 V (Red1) im Zyklovoltammogramm sichtbar (linke Abbildung, blaue Kurve). Fügt man nun Silbersalz (Ag[TFSI]) hinzu und hat somit Silber und Sauerstoff gleichzeitig in Lösung vorliegen, verschiebt sich das Halbwellen-Potential auf -0,38 V. Dies entspricht nahezu dem des Silberredoxpotentials (-0,4 V). Somit findet (im Gegensatz zu den Reaktionen in Metall-Luft-Zellen) unter diesen Bedingungen keine Reaktion von Sauerstoff mit Silber zum Metalloxid statt (Red1 und Ox), sondern reines Silber wird abgeschieden und der Sauerstoff bleibt unbeteiligt (Red2 und Ox). Eine REM-Aufnahme der porösen Morphologie des abgeschiedenen Silbers ist rechts dargestellt.Ziel des Projekts ist den Einfluss diverser Parameter (Temperatur, CV Scangeschwindigkeit, Potential, Konzentrationen) auf das Auftreten der konkurrierenden Reduktionsreaktionen Red1 bzw. Red2 zu untersuchen und so ein besseres Verständnis für die auftretenden Reaktionen zu erhalten. (Bild eingereicht von Peter Schmitz)https://www.uni-giessen.de/de/fbz/fb08/Inst/physchem/janek/gallerypom/GdB2017/BdM1017/viewhttps://www.uni-giessen.de/@@site-logo/logo.png
Die elektrochemische Synthese aus Ionischen Flüssigkeiten (ILs) bietet eine Alternative auf dem Weg zu ungewöhnlichen Edelmetallverbindungen, da bei dieser Route auf extreme Bedingungen (hohe Drücke oder Temperaturen, reaktive und gesundheits-/umweltgefährdende Edukte) verzichtet werden kann. Hierbei wird analog zu den Reaktionen in Metall-Luft-Zellen Sauerstoff an einer Kathode zum Superoxid reduziert (Red1: O2 + e– → O2–), Silber an der Anode oxidiert (Ox: Ag → Ag+ + e–) und diese können gemeinsam zu einem Silberoxid AgxOy ausfallen bzw. weiter disproportionieren. Die bei Ox entstehenden Metallkationen konkurrieren allerdings mit dem gelösten Sauerstoff an der Kathode um die Reduktion. Somit kann an der Kathode statt Red1 auch die umgekehrte Reaktion zu Ox ablaufen (Red2: Ag+ + e– → Ag) und die Sauerstoffreduktion unterdrückt werden.Sättigt man die IL ([Pyr13][TFSI]) mit Sauerstoff ist das Sauerstoffreduktionssignal bei einem Potential von -1,17 V (Red1) im Zyklovoltammogramm sichtbar (linke Abbildung, blaue Kurve). Fügt man nun Silbersalz (Ag[TFSI]) hinzu und hat somit Silber und Sauerstoff gleichzeitig in Lösung vorliegen, verschiebt sich das Halbwellen-Potential auf -0,38 V. Dies entspricht nahezu dem des Silberredoxpotentials (-0,4 V). Somit findet (im Gegensatz zu den Reaktionen in Metall-Luft-Zellen) unter diesen Bedingungen keine Reaktion von Sauerstoff mit Silber zum Metalloxid statt (Red1 und Ox), sondern reines Silber wird abgeschieden und der Sauerstoff bleibt unbeteiligt (Red2 und Ox). Eine REM-Aufnahme der porösen Morphologie des abgeschiedenen Silbers ist rechts dargestellt.Ziel des Projekts ist den Einfluss diverser Parameter (Temperatur, CV Scangeschwindigkeit, Potential, Konzentrationen) auf das Auftreten der konkurrierenden Reduktionsreaktionen Red1 bzw. Red2 zu untersuchen und so ein besseres Verständnis für die auftretenden Reaktionen zu erhalten. (Bild eingereicht von Peter Schmitz)
Oktober 2016Vor dem Hintergrund der Etablierung alternativer Energieträger gewinnen verschiedene Arten der stationären Energiespeicherung stetig an Relevanz. Fernab konventioneller Batteriesysteme wie der Lithium-Ionen-Batterie geraten dabei alternative Speicherlösungen in den Fokus, deren Komponenten idealerweise kostengünstig und nachhaltig zu erschließen sind. So können beispielsweise organische Moleküle, welche aus verschiedensten Rohstoffen gewonnen werden können, für den Einsatz in elektrochemischen Zellen optimiert werden. Die für diese Anwendung geeigneten Zielmoleküle werden durch eine Kooperation zwischen dem Physikalisch-Chemischen und dem Organischen Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen durch die Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehung definiert. Maßgeblichen Einfluss auf die elektrochemischen Eigenschaften dieser Verbindungen hat dabei unter anderem der im Elektrolyten vorherrschende pH-Wert. So kann durch dessen Modifizierung das Potential, bei welchem es zum Elektronenübertrag kommt, variiert und die Zelle auf ihre Anwendung in verschiedenen Umgebungen hin optimiert werden. Das Bild des Monats zeigt den Einfluss des pH-Wertes auf die Potentiallagen der elektrochemisch aktiven Spezies in Form von Zyklovoltammogrammen, welche mithilfe einer Dreielektrodenanordnung unter Zuhilfenahme einer Ag/AgCl-Referenzelektrode aufgezeichnet wurden. (Bild eingereicht von Jonas Hofmann.)https://www.uni-giessen.de/de/fbz/fb08/Inst/physchem/janek/gallerypom/GdB2016/BdM1016/viewhttps://www.uni-giessen.de/@@site-logo/logo.png
Vor dem Hintergrund der Etablierung alternativer Energieträger gewinnen verschiedene Arten der stationären Energiespeicherung stetig an Relevanz. Fernab konventioneller Batteriesysteme wie der Lithium-Ionen-Batterie geraten dabei alternative Speicherlösungen in den Fokus, deren Komponenten idealerweise kostengünstig und nachhaltig zu erschließen sind. So können beispielsweise organische Moleküle, welche aus verschiedensten Rohstoffen gewonnen werden können, für den Einsatz in elektrochemischen Zellen optimiert werden. Die für diese Anwendung geeigneten Zielmoleküle werden durch eine Kooperation zwischen dem Physikalisch-Chemischen und dem Organischen Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen durch die Untersuchung der Struktur-Eigenschafts-Beziehung definiert. Maßgeblichen Einfluss auf die elektrochemischen Eigenschaften dieser Verbindungen hat dabei unter anderem der im Elektrolyten vorherrschende pH-Wert. So kann durch dessen Modifizierung das Potential, bei welchem es zum Elektronenübertrag kommt, variiert und die Zelle auf ihre Anwendung in verschiedenen Umgebungen hin optimiert werden. Das Bild des Monats zeigt den Einfluss des pH-Wertes auf die Potentiallagen der elektrochemisch aktiven Spezies in Form von Zyklovoltammogrammen, welche mithilfe einer Dreielektrodenanordnung unter Zuhilfenahme einer Ag/AgCl-Referenzelektrode aufgezeichnet wurden. (Bild eingereicht von Jonas Hofmann.)
April 2016„Durchleuchten“ mit Röntgenstrahlung – Gezeigt ist die Kathode einer Natrium-Sauerstoff-Batterie, in welcher das Entladeprodukt Natrium-Superoxid gespeichert wurde. Typischerweise liegt Natrium-Superoxid in Form kubischer, ca. 20 µm großer Partikel vor und ist während des Betriebs der Batterie nicht direkt analysierbar, da die Partikel vom Batteriegehäuse und weiteren Materialien verdeckt sind. Sichtbar gemacht wurden die Partikel (farbige Abstufung je nach Volumen der Partikel) durch Synchrotron-Röntgen-Transmissions-Tomographie einer voll entladenen Batterie-Kathode. Die Aufnahmen entstanden in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie an der Elektronenspeicherringanlage BESSY II, und wurden kürzlich in einer Publikation (http://www.nature.com/articles/srep24288) zusammengetragen.Wiederaufladbare Metall-Sauerstoff-Batterien, wie beispielsweise die Natrium-Sauerstoff-Batterie, gelten als mögliche zukünftige Energiespeicher. In der AG Janek werden Metall-Sauerstoff-Batterien im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte wie dem BASF-Forschungsnetzwerk „Elektrochemie und Batterien“ oder dem BMBF-Projekt „BenchBatt“ untersucht. Das Hauptaugenmerk gilt hierbei auf dem tieferen Verständnis und der Verbesserung der zu Grunde liegenden Zelle-Chemie. (Bild eingereicht von Conrad Bender und Daniel Schröder.)https://www.uni-giessen.de/de/fbz/fb08/Inst/physchem/janek/gallerypom/GdB2016/BdM0416/viewhttps://www.uni-giessen.de/@@site-logo/logo.png
„Durchleuchten“ mit Röntgenstrahlung – Gezeigt ist die Kathode einer Natrium-Sauerstoff-Batterie, in welcher das Entladeprodukt Natrium-Superoxid gespeichert wurde. Typischerweise liegt Natrium-Superoxid in Form kubischer, ca. 20 µm großer Partikel vor und ist während des Betriebs der Batterie nicht direkt analysierbar, da die Partikel vom Batteriegehäuse und weiteren Materialien verdeckt sind. Sichtbar gemacht wurden die Partikel (farbige Abstufung je nach Volumen der Partikel) durch Synchrotron-Röntgen-Transmissions-Tomographie einer voll entladenen Batterie-Kathode. Die Aufnahmen entstanden in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie an der Elektronenspeicherringanlage BESSY II, und wurden kürzlich in einer Publikation (http://www.nature.com/articles/srep24288) zusammengetragen.Wiederaufladbare Metall-Sauerstoff-Batterien, wie beispielsweise die Natrium-Sauerstoff-Batterie, gelten als mögliche zukünftige Energiespeicher. In der AG Janek werden Metall-Sauerstoff-Batterien im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte wie dem BASF-Forschungsnetzwerk „Elektrochemie und Batterien“ oder dem BMBF-Projekt „BenchBatt“ untersucht. Das Hauptaugenmerk gilt hierbei auf dem tieferen Verständnis und der Verbesserung der zu Grunde liegenden Zelle-Chemie. (Bild eingereicht von Conrad Bender und Daniel Schröder.)
