- Titel
- Polymerelektrolyte für Aluminium-Grafit-Batterien
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa2-1037508
- Datum der Einreichung
- 17.12.2025
- Datum der Verteidigung
- 31.03.2026
- Abstract (DE)
- Die weltweite Energiewende erfordert sichere und nachhaltige Speichertechnologien, die unabhängig von kritischen Rohstoffen sind. Diese Arbeit adressiert zentrale Herausforderungen von Aluminium-Grafit-Batterien (Al–G-Batterien), wie Korrosion, Sicherheitsrisiken und hohe Materialkosten, durch die Entwicklung neuartiger Festelektrolyte auf Polymerbasis. Zwei Systeme werden vorgestellt: ein Thermoplastischer Elektrolyt auf Basis von Polyamid-6 und ein vernetzter Elastomer-Elektrolyt auf Basis von Polyacrylnitril, beide kombiniert mit chloroaluminatbasierten ionischen Flüssigkeiten. Mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie- und Kernspinresonanzspektroskopie-Analysen wird demonstriert, dass beide Polymere durch gezielte Komplexierung mit AlCl3 hohe Konzentrationen der elektrochemisch aktiven Spezies Al2Cl7– bei gleichzeitiger Unterdrückung hygroskopischer Eigenschaften beibehalten. Während die mechanische Festigkeit des Polyamid-6-basierten Systems durch die AlCl3-Konzentration und den Polymeranteil steuerbar ist, lassen sich die mechanischen Eigenschaften des Polyacrylnitril-Elektrolyten durch thermische Vernetzung einstellen. In Vollzellen mit Grafitkathoden erreichen beide Systeme eine Coulomb-Effizienz von über 97% bei hoher Zyklenstabilität. Ein neu entwickeltes Aciditätsmodell prognostiziert die Elektrolytkapazität auf Grundlage der Reaktionspfade von AlCl3 mit den übrigen Elektrolytkomponenten und ermöglicht damit ein systematisches, rationales Materialdesign. Zudem zeigen die mittels Sputterabscheidung mit Molybdänbzw. Titannitrid beschichteten Aluminiumfolien in Kombination mit den Polymerelektrolyten eine hohe Toleranz gegenüber Schichtdefekten und bleiben selbst unter Betriebsbedingungen stabil. Dies bietet das Potenzial, die Kosten der Kathodenstromableiter erheblich zu senken. Darüber hinaus führte der Ersatz der Kathodenbinder durch die synthetisierten Polymerelektrolyte zu einer deutlichen Verringerung der Selbstentladung der Al–G-Batterien sowie zu einer Erhöhung der absoluten Zellkapazität. Die Arbeit zeigt, dass Polymere in ionischen Flüssigkeiten als reaktive Komponenten fungieren und nicht nur, wie bisher behandelt, als passive Gelbildner. Die Ergebnisse liefern grundlegende Einblicke in Wechselwirkungen zwischen chloroaluminatbasierten ionischen Flüssigkeiten und Polymer-Funktionsgruppen. Die Erkenntnisse ermöglichen sichere, nachhaltige Batterien ohne Lithium oder Kobalt. Die Kombination aus skalierbaren Prozessen (Kalandrierung, Sputtern, Rakeln) und inhärenter Sicherheit bietet eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung aluminiumbasierter stationärer Speichersysteme, welche Brand- und Auslaufrisiken vermeiden und den Einsatz kritischer Rohstoffe reduzieren.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Aluminium-Batterie, Polymerelektrolyt, Festelektrolyt
- Freie Schlagwörter (EN)
- Aluminum battery, polymer electrolyte, solid electrolyte
- Klassifikation (DDC)
- 530
- Normschlagwörter (GND)
- Energiewende
- Elektrochemische Energietechnik
- Energiespeicher
- Galvanisches Element
- Polyelektrolyt
- Festelektrolyt
- Ionische Flüssigkeit
- Aluminiumchlorid
- Chloroaluminate
- Korrosion
- Korrosionsschutz
- Beschichtung
- Sputtern
- Molybdännitride
- Titannitrid
- GutachterIn
- Prof. Dr. Dirk C. Meyer
- Prof. Dr. Gero Frisch
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Dirk C. Meyer
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- TU Bergakademie Freiberg, Freiberg
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:105-qucosa2-1037508
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 29.04.2026
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0