Verbundprojekt: "CaSaBatt - Zelldesign und optimierte Elektrolyte für Calcium-Sauerstoff-Batterien"

Abstract

Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die elektrochemische Stabilität von Ca–O₂-Zellen nicht durch einen einzelnen Elektrolytparameter bestimmt wird. Vielmehr wird sie maßgeblich durch das Zusammenspiel von Wassergehalt, Leitsalz, ionischer Flüssigkeit und Grenzflächenbildung beeinflusst. Ein stabiles Zellverhalten erfordert daher eine sorgfältige Abstimmung von Elektrolytchemie, Elektrodenstruktur und Grenzflächenprozessen. Die Bildung von Grenzflächenfilmen beginnt bereits während der OCP-Phase und konnte mithilfe von EIS- und DRT-Analysen identifiziert werden. Sie äußert sich in frequenzabhängigen Relaxationsprozessen, insbesondere im Bereich des Ladungstransfers. Der Wassergehalt zeigt dabei einen deutlichen Einfluss auf die Stabilität des Elektrolyten sowie auf das OCP-Verhalten. Darüber hinaus führt die zyklische Belastung zur Ausbildung von Passivierungsschichten. Dies konnte mittels DRT-Analyse durch eine ausgeprägte Signatur im Ladungstransferbereich bei etwa 50 Hz nachgewiesen werden. Ergänzend zeigen XPS-Untersuchungen die Bildung von CaOₓ, Carbonaten sowie organischen Oberflächenspezies. Gleichzeitig wurden teilweise reversible Prozesse beobachtet, die auf eine Umlagerung bzw. erneute Abscheidung calciumhaltiger Spezies während des Ladeprozesses hinweisen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die limitierte Zyklisierbarkeit maßgeblich mit der Bildung irreversibler Nebenprodukte wie Carbonaten, Hydroxiden und Calciumoxiden zusammenhängt. Besonders hervorzuheben ist, dass Zellen mit einem günstigeren, reversibleren Entladeproduktspektrum, also mit einem geringeren Anteil irreversibler Nebenprodukte und Calciumoxid, zwar geringere Kapazitäten und höhere Widerstände aufweisen, jedoch ein stabileres und reproduzierbareres Redoxverhalten zeigen. Diese Systeme bilden daher einen vielversprechenden Ausgangspunkt für weiterführende Forschungsansätze zur Entwicklung wiederaufladbarer Ca–O₂-Batterien.