In unserer zukünftigen nachhaltigen Energieversorgung sind elektrochemische
Energiewandler, wie Brennstoffzellen, Batterien und Elektrolyseure, essentielle
Komponenten. Sie erlauben CO2-freie Mobilität, die Speicherung von Elektrizität aus
Wind, Wasser und Sonne und sogar die Produktion von Basischemikalien wie H2 und
CO aus Wasser und Luft. Eine verwirrende Vielzahl verschiedener Zellchemien und
-reaktionen ist dabei möglich und auch aufgrund hoher thermodynamischer
Wirkungsgrade attraktiv.
Den erfolgreichen Sprung in die Marktetablierung schaffen jedoch nur wenige Typen
elektrochemischer Zellen. Neben dem recht großen Materialaufwand stellt die
Reaktionskinetik an der Elektrodenoberfläche eine der Haupthindernisse dar. Das
qualitative und quantitative Verständnis der Reaktionen an der Elektrodenoberfläche ist
dabei ein Schlüssel zur gezielten Steigerung der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer
und zur Identifikation optimaler Materialien und Bedingungen.
Nach einer Einführung in elektrochemische Energietechnologien als Motor zukünftiger
nachhaltiger Energieversorgung fokussiert der Vortrag auf die Komplexität der
Reaktionsprozesse an Elektrodenoberflächen und deren Analyse. Anhand diverser
Zellchemien werden komplexe Mehrschritt-Kinetiken, die Rolle von Adsorbaten und
lokalen Betriebsbedingungen und der Einfluss von Nebenreaktionen und
Oberflächenänderungen auf die Elektroden diskutiert. Neben Elektroden etablierter
Technologien wie Li-Ionen-Batterien werden auch komplexere Elektroden von Zellen
der nächsten Generation, wie mikrobiellen Zellen und Li-Schwefel-Batterien,
thematisiert. Die eingesetzte Kombination kinetischer Modelle mit dynamischen
elektrochemischen und weiteren Analysemethoden erlaubt nicht nur ein besseres
qualitatives und quantitatives Verständnis des Elektrodenverhaltens, sondern legt
gleichzeitig auch die Basis für eine wissensbasierte, potentiell digitalisierte Material- und Zellentwicklung. |