Schlussbericht im BMBF-Projekt für Zelldesign und optimierte Elektrolyte für Calcium-Sauerstoff-Batterien "CaSaBatt"

Abstract

Im Rahmen des Projektes „CaSaBatt“ wurden Ca2+-leitenden Festelektrolyte für die potenzielle Nutzung als Separatormembran in einer hybriden Calcium-Sauerstoff-Zelle synthetisiert und charakterisiert. Als Startpunkt wurden dafür kommerziell erhältliche Na-β‘‘-Alumina-Membranen in geeigneten Salzschmelzen zu Ca-β‘‘-Alumina modifiziert (UAP 3.2.1). Dabei stellte sich jedoch heraus, dass die Membranen erst ab Temperaturen leitfähig sind, die für eine Nutzung in der Calcium-Sauerstoff-Zelle nicht in Frage kämen (> 100 °C) und können daher nicht als Separatormembran verwendet werden. Des Weiteren wurden explorativ bekannte und neue Materialien untersucht, die als Ca2+-leitenden Festelektrolyte verwendet werden könnten (UAP 3.2.2). Dabei wurde CaAl2S4 als potenzieller Ca-Festelektrolyt identifiziert. Impedanzmessungen zeigten jedoch, dass das Material bis mindestens 200 °C nicht leitfähig ist. Ca(1+x)/2InxZr2–x(PO4)3 wurde ebenfalls auf seine Ca2+-Leitfähigkeit untersucht. Diese Materialien sind jedoch auch erst ab hohen Temperaturen (≥ 300 °C) leitfähig. Darüber hinaus wurden zwei neue halogenidische Materialsysteme synthetisiert und auf ihre Ionenleitfähigkeit geprüft. Dabei handelte es sich um Ca(1-x)/2TaxZr1-xCl6 und x CaCl2-GaF3. Die beiden Materialklassen zeigt relativ hohe Leitfähigkeiten bei 100 °C. Es wurden EMK-Messungen (Elektromotorischen Kraft) eingesetzt, um zu prüfen, ob die Materialien tatsächlich Ca2+-Leiter sind. Innerhalb des Projekts galt es auch die Lösungsmittelstabilität der gefundenen Elektrolyte zu untersuchen (UAP 3.2.3). Das Ca-β‘‘-Alumina war gegenüber beiden Lösungsmitteln stabil. Die beiden leitfähigsten Materialien CaZrCl6 und 0.75 CaCl2-GaF3 waren jedoch nicht gegenüber den Lösungsmitteln stabil und wurden irreversibel angegriffen.