Calcium-basierte Metall-Luftsauerstoff-Batterien als alternative Energiespeicher Meilenstein: Forschende testen erfolgreich Zelldesign und optimierte Elektrolyte für Calcium-Sauerstoff-Batterien

Der Klimaschutz und die Energieversorgung sind wesentliche Faktoren für eine nachhaltige Entwicklung des Wirtschafts- und Technologiestandorts Deutschland. Langfristig wird bei der Energieversorgung überwiegend auf fossile Brennstoffe verzichtet werden müssen, damit die angestrebten Klimaschutzziele erreicht werden. Batterien mit großer Energiedichte und ausreichender Zyklenstabilität sind hierbei für die Herausforderungen im Rahmen der Energiewende unverzichtbar. Neben Festkörperbatterien sind Metall-Sauerstoff- und Metall-Schwefel-Batterien zukunftsweisende Batteriekonzepte. Im Forschungsprojekt „CaSaBatt“ hat die Technische Universität Braunschweig zusammen mit Partnern im August 2024 einen wichtigen Meilenstein in der Entwicklung von Metall-Sauerstoff-Batterien erreicht: Erste Zyklen mit den entwickelten Anoden- und Kathodenmaterialien sowie Elektrolyten konnten in einer Testzelle im Labormaßstab erfolgreich getestet werden.

Als vielversprechendes Energiespeicher-System zeichnet sich die Calcium-Luftsauerstoff-Batterie (CASB) ab. Die CASB bietet eine circa 2,5-fach höhere Speicherkapazität gegenüber Lithium-Ionen-Batterien mit konventionellen Graphit-Anoden und Metalloxid-Kathoden. Vor einigen Jahren wurden die in CASB an den Anoden und Kathoden ablaufenden Reaktionen und Reaktionsteilschritte erstmals im Detail aufgeschlüsselt. Es wurde deutlich, dass für CASB kein herkömmlicher Zellaufbau aus zwei Elektroden und einem porösen Separator sowie einem einzigen Elektrolyten verwendet werden kann. Es werden zwingend zwei verschiedene Reaktionskammern mit Anolyt (Elektrolyt an der Anode) und Katholyt (Elektrolyt an der Kathode) in einem hybriden Zellaufbau benötigt.

Industrie und Wissenschaft kooperieren für Entwicklung eines Demonstrators

Deshalb ist das Hauptziel in dem hier beschriebenen Projekt, dass erstmalig eine elektrisch wiederaufladbare CASB im Labormaßstab (Demonstrator) entwickelt wird. Diese beinhaltet Flüssig-Elektrolyte (entwickelt von IoLiTec), eine Ionen-leitende aber Elektrolyt-undurchlässige Trennschicht (zur Verhinderung der Durchmischung der Elektrolyte; möglichst als Festelektrolyt realisiert; federführend entwickelt von der Universität Münster) und ein chemisch beständiges Batteriegehäuse. Weiterhin sollen die bisher am besten funktionierenden Elektrolyte (Anolyt und Katholyt; entwickelt von der Firma IoLiTec) optimiert werden, um die Leistungseigenschaften und Zyklenzahlen der Anode (ZSW Ulm) und Kathode (Fraunhofer IFAM) der CASB konkurrenzfähig zu gestalten.

Kostengünstig und für Upscaling geeignet

Das im Forschungsprojekt „CaSaBatt“ adressierte System ist potentiell sehr kostengünstig und auch für Groß-Energiespeicher-Anwendungen geeignet. Die Elektrolyte werden durch Beteiligung eines Industriepartners so ausgewählt, dass sie kostengünstig herstellbar und auch potentiell für das Upscaling in größerer Produktion geeignet sind. Dieses Projekt wird durch seinen grundlagenorientierten Charakter einen wesentlichen Beitrag zur vorwettbewerblichen Erforschung alternativer Energiesysteme leisten.

Basis für nächste Batteriegeneration

Die Ergebnisse könnten eine Basis für die Entwicklung von wiederaufladbaren Batterien der nächsten Generation für den Consumer-Markt bzw. auch im Bereich günstiger Großenergiespeicher bilden. Die im CaSaBatt-Vorhaben beschriebenen Arbeiten haben einen klaren, materialorientierten Schwerpunkt mit vorindustriellem und teilweise industriellem Forschungscharakter, bei dem neue, vielversprechende Ansätze für eine erste elektrisch wiederaufladbare CASB im Labormaßstab entwickelt werden.

Projektdaten:

Das Projekt „CaSaBatt“ (Laufzeit 01.09.2022 bis 31.08.2025) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF mit insgesamt rund 1,37 Mio. Euro gefördert (FKZ: 03XP0483A). Projektpartner sind neben der TU Braunschweig die Universität Münster, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (Ulm), das Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM) Bremen und die IoLiTec Ionic Liquids Technologies GmbH.