Herstellung und Untersuchung von großformatigen Elektroden, sowie Parameteridentifizierung für einen langlebigen Betrieb von skalierbaren Zink-Ionen Zellsystemen

Die in dieser Arbeit untersuchte Zink-Ionen-Batteriezelle ist eine umweltfreundliche Alternative zur Lithium-Ionen-Batteriezelle und ist besonders in der stationären Energiespeicherung ein wettbewerbsfähiger Kandidat. Für stationäre Anwendungen sind Anforderungen wie Umweltfreundlichkeit, Verfügbarkeit, Sicherheit und Langlebigkeit des Batteriesystems von größter Bedeutung, welches bei Lithium-Ionen-Zellsystemen nicht gewährleistet werden kann. Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt auf der Anodenseite des Zink-Ionen-Zellsystems. Es wurde ein Demonstrator entwickelt, indem ein größeres Zellformat in Betrieb genommen werden konnte. Dieser wurde auf Funktionalität geprüft. Dafür wurden Zink-Cellulose-Elektroden hergestellt und Vollzellmessungen durchgeführt, um das Zyklenverhalten in diesem Format zu analysieren. Zusätzlich wurden Zink-Ionen-Batteriezellen im Pouch-Bag Format hergestellt und untersucht, bei denen einzelne Parameter an der Elektrodenoberfläche und im Elektrolyten verändert wurden, um ein bestmögliches Abscheide- und Wiederauflösungsverhalten der Zink-Ionen auf der Anodenoberfläche zu erreichen. Vor Inbetriebnahme des Demonstrators wurden Dichtigkeitstest und Funktionalität der Bestandteile überprüft. Mit Hilfe einer Pasten Rezeptur wurden die Zink-Cellulose-Elektroden hergestellt und anschließend auf ein passendes Zellformat ausgestanzt. Anschließend wurden galvanostatische Vollzellenmessungen mit Zink-Folien- und Zink-Cellulose-Elektroden durchgeführt, um das Zyklenverhalten im Demonstrator Design der beiden Anoden zu analysieren. Als Kathode wurde eine selbst hergestellte Kupfer(II)-hexacyanoferrat (CuHCF) Elektrode verwendet. Darauffolgend wurden weitere Plating-Stripping-Tests im Demonstrator Design durchgeführt. Die zyklisierten Elektroden wurden einer anschließenden post-mortem Untersuchung unterzogen, um morphologische und materialseitige Veränderungen auf der Anodenoberfläche zu analysieren. Um den Einfluss von Porosität der Elektrode und Additivkonzentration des Elektrolyten auf das Abscheide- und Wiederauflösungsverhalten bei der Zink-Cellulose-Elektrode genauer analysieren zu können wurden symmetrische Zink-Ionen-Batteriezellen im Pouch-Bag Design hergestellt und Plating-Stripping-Tests in Kombination mit einer elektrochemischen Impedanzmessung durchgeführt. Eine Analyse dieser Parameter ist besonders wichtig für ein besseres Zyklenverhalten der Zelle und damit auch einen langlebigeren Betrieb zu gewährleisten, um wettbewerbsfähig zu sein. Die Struktur- und Oberflächenanalysen der zyklisierten Zink-Elektroden wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie und energiedisperisver Röntgenspektroskopie durchgeführt. Die Inbetriebnahme des Demonstrators war erfolgreich, jedoch stellte sich bei den Vollzellentests heraus, dass eine Herauslösung von Kupfer-Ionen aus dem CuHCF-Gitter stattfand, welches sich auf der Anodenoberfläche anlagert und den Zink-Ionentransport blockiert, wodurch die Performance der Batteriezelle limitiert wurde. Des Weiteren konnte mit Hilfe des Plating-Stripping-Verfahren und der elektrochemischen Impedanzspektroskopie eine Veränderung des Abscheide- und Wiederauflösungsverhalten der Zink-Ionen nachgewiesen werden, welches mit der Porosität der Elektrode und der PEG200-Konzentration im Elektrolyten in Zusammenhang gebracht werden konnte.