„NanoBatt“ - Steigerung der Energie- und Materialeffizienz elektrochemischer Energiespeicher durch Nanostrukturierung von Werkstoffen und Oberflächen

Projektdaten

Projektnummer: TNA III / 2012
Projektlaufzeit: 01.01.2012 – 31.12.2013
Gesamtinvestitionssumme: 1.452.000 EUR
EFRE-Beteiligung: 254.250 EUR

Nanoporöses Silicium mit deutlich verbesserten Energiespeicher-Eigenschaften.

Nanoporöses Silicium mit deutlich verbesserten Energiespeicher-Eigenschaften.

Nanoporöse Si-Nanonadeln die als Elektrodenmaterial hergestellt und getestet wurden. Sie zeugen deutlich bessere Eigenschaften.

Nanoporöse Si-Nanonadeln die als Elektrodenmaterial hergestellt und getestet wurden. Sie zeugen deutlich bessere Eigenschaften.

Nano-Verbunde aus porösem Silicium und aufgebrachten TiO2 und ZnO Schichten. Diese zeigen einen deutliche bessere Energieeffizienz.

Nano-Verbunde aus porösem Silicium und aufgebrachten TiO2 und ZnO Schichten. Diese zeigen einen deutliche bessere Energieeffizienz.

Kurzbeschreibung

Es handelt sich um ein Forschungsvorhaben mit Thüringer Partnern und Partnern aus Norwegen und Österreich.
Die elektrochemische Energiespeicherung ist essentiell für unsere zukünftige umweltfreundliche Energieversorgung und -speicherung. Sie ist auch "enabling technology" für eine nachhaltige Mobilität. Die derzeit besten kommerziellen Li-Ionen-Batterien haben eine spezifische Energie von etwa 0.15 kWh/kg (zum Vergleich Diesel: 11 kWh/kg). Dies verdeutlicht den erheblichen Forschungsbedarf auf diesem Gebiet im Hinblick auf spezifische Energie und Leistung. Weitere wichtige Aspekte sind Energieeffizienz, die Verwendung von umwelt- und ressourcenschonenden Werkstoffen sowie die einfache großtechnische Fertigung. Durch dieses Vorhaben wird also nicht nur der Leitmarkt "Umweltfreundliche Energien und Energiespeicherung" adressiert, sondern auch die Bereiche "Nachhaltige Mobilität", "Rohstoff- und Materialeffizienz" und "Energieeffizienz".
Die offensichtlichen Defizite bei der elektrochemischen Energiespeicherung sollen daher durch die Forschungsarbeiten zur gezielten Effizienzsteigerung von Batterien durch Nanostrukturierung von Werkstoffen und ihren Oberflächen abgebaut werden. Ausgehend von bekannten Werkstoffen sollen die Speicherdichte, die Materialeffizienz, die Handhabung und die einfache großtechnische Herstellung von elektrochemischen Energiespeichern drastisch verbessert werden. Hier sollen grundlegende Erkenntnisse über die Nutzung der Nanostrukturierung und deren Einfluss auf die Speicherung gewonnen werden. Diese Erkenntnisse sollen dann auf neue Werkstoffe und Systeme transferiert werden und so zu einer beträchtlichen technischen Innovationshöhe beitragen.
Dies stellt für die Technologieführerschaft bei den "Grünen Technologien" einen erheblichen Mehrwert dar und bedeutet für Thüringen ein erhebliches Produkt- und Innovationspotenzial. In enger Zusammenarbeit der Thüringer und europäischen Projektpartner aus den Gebieten Werkstofftechnik, Nanostrukturierung, Elektrochemie und Systemintegration sollen hierzu verschiedene Ansätze verfolgt werden. Ausgehend von "etablierten" Werkstoffen sollen nanostrukturierte Werkstoffe und Oberflächen untersucht werden. Hier bietet sich als einfaches Modellsystem das System Silicium-Lithium an. Die geplante Nanostrukturierung reicht von porösen Nanostrukturen bis hin zu Nanodrähten und Nanopartikeln, die auf Ihr Potenzial zur Leistungssteigerung untersucht werden sollen. Hier werden durch die kurzen Diffusionswege und die kleinen Abmessungen (Nanometer) drastische Verbesserungen in der Zyklen-Stabilität, der Speicherkapazität und der Lade-/Entlade-Dynamik erwartet. Vielversprechende Vorversuche belegen die Machbarkeit dieses Ansatzes. Die gewonnen Erkenntnisse sollen auf weitere elektrochemisch vielversprechende Materialkombinationen angewandt werden. Gleichzeitig wird bei den Untersuchungen immer auch die möglichst einfache Produktionstechnik im Auge behalten.

Die bisherigen Ergebnisse des Projektes sind sehr vielversprechend. Es konnte durch die hergestellten Nano-Verbunde eine erhebliche Effizienz- und Dynamiksteigerung erzielt werden. Auch im Bereich der Produktionstechnik und des Monitorings der Betriebssicherheit könnten durch die internationale Zusammenarbeit erhebliche Fortschritte erzielt werden. Einige der Arbeiten sind noch im Gange und werden voraussichtlich zu weiteren internationalen Projekten führen. Vorbereitungen zu weiteren Projekten sind im Gange.

Bisherige Literatur aus dem Projekt (weitere in Vorbereitung):

  1. Yong Yan, Bo Hao, Dong Wang, Ge Chen, Eric Markweg, Arne Albrecht, Peter Schaaf.
    “Understanding the fast lithium storage performance of hydrogenated TiO2 nanoparticles”.
    Journal of Materials Chemisty A 1(42) (2013) 14507-14513.
    http://dx.doi.org/10.1039/C3TA13491A
  2. Svetlozar Ivanov, Codruta A. Vlaic, Song Du, Dong Wang, Peter Schaaf, Andreas Bund.
    „Electrochemical performance of nanoporous Si as anode for lithium ion batteries in alkyl carbonate and ionic liquid based electrolytes".
    Journal of Applied Electrochemistry  (2013) accepted.
    http://dx.doi.org/10.1007/s10800-013-0619-1
  3. Hendrik Wulfmeier, Daniel Albrecht, Svetlozar Ivanov, Julian Fischer, Rolf Grieseler, Peter Schaaf, Sven Ulrich, Andreas Bund, and Holger Fritze.
    „Thin Film Calorimetry - Device Development and Application to Lithium Ion Battery Materials“.
    Mater. Res. Soc. Symp. Proc.  1496 (2013), Materials Research Society, MRS
    http://dx.doi.org/10.1557/opl.2013.104 or
    http://journals.cambridge.org/abstract_S1946427413001048
  4. D. Wang, S. Schönherr, R. Ji, A. Herz, C. Ronning, and P. Schaaf.
    „Ordered Arrays of patterened nanoporous Si“.
    Journal of Micromechanics and Microengineering  23(7) (2013) 074004.
    http://dx.doi.org/10.1088/0960-1317/23/7/074004
  5. Dong Wang, Ran Ji, Song Du, Arne Albrecht and Peter Schaaf.
    “Ordered Arrays of Nanoporous Silicon Nanopillars and Silicon Nanopillars with Nanoporous Shells”.
    Nanoscale Research Letters 8(1) (2013) 42.
    http://dx.doi.org/10.1186/1556-276X-8-42
  6. Dong Wang, S. Schönherr, C. Ronning, P. Schaaf.
    “Patterned Array of Nanoporous Silicon”.
    Proceedings of 23rd MICROMECHANICS AND MICROSYSTEMS EUROPE WORKSHOP (MME2012), TU Ilmenau, ISBN: 978-3-938843-71-0.
  7. Vlaic, Codruta Aurelia; Hühn, C.; Grohmann, L.; Schulze, L.; Ivanov, Svetlozar Dimitrov; Wang, Dong; Schaaf, Peter; Bund, Andreas.
    “Electrochemical behavior of Si nanostructures in ionic liquids”.
    In: Materials for Energy and Power Engineering (Ed.: P. Schaaf), Universitätsverlag Ilmenau, Ilmenau (2012), pp. 17-21.

Thüringer Projektpartner

  1. TU Ilmenau, Fachgebiet Werkstoffe der Elektrotechnik Ilmenau
  2. VACOM Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH Jena

Internationale Kooperationspartner

  1. JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH Steiermark (Österreich)
  2. University of Bergen, Department of Physics and Technology Vestlandet (Norwegen)
  3. NanoTecCenter Weiz Forschungsgesellschaft mbH Steiermark (Österreich)