Herstellung einer Pouchzelle.

Woran forschen wir?

Herstellung einer Pouchzelle.

Im Mittelpunkt unserer Forschungsaktivitäten stehen neue und progressive Fragestellungen in den drei Bereichen Energiespeicherung, Energiewandelung und Umwelttechnik.

In allen drei Bereichen kann das CEEC Jena auf eine breite Kompetenz bei der Neu- und Weiterentwicklung verschiedener Materialien zurückgreifen von Keramiken über Glas bis hin zu Kohlenstoffen sowie Polymeren.

Darüber hinaus verfügen wir über eine umfassende Expertise bei der Charakterisierung dieser Werkstoffe über verschiedene Längenskalen von der molekularen Ebene, beispielsweise mit spektroskopischen Methoden, bis hin zum Material selbst, zum Beispiel mit Streumethoden. Die Eigenschaften der entsprechenden Materialien interessieren uns vor allem im Hinblick auf deren Anwendung in Energiespeichersystemen wie auch in der gesamten Elektrochemie .

 

Grafik zur Forschung des CEEC Jena Grafik zur Forschung des CEEC Jena Foto: FSU Jena / M. Hager

Themenbereich Energiespeicherung

Eine Redox-Flow-Batterie Eine Redox-Flow-Batterie Foto: Jan-Peter Kasper (Universität Jena)

Speichersysteme der nächsten und übernächsten Generation

Wir arbeiten an der Entwicklung von verschiedenen Speichertechnologien, angefangen bei kleinen flexiblen Batteriesystemen über Superkondensatoren bis hin zu großen stationären Batterien.

Die besondere Herausforderung hierbei: Hohe Leistungsdichten, maximale Flexibilität, geringste Verluste und hohe Lebensdauer der Systeme müssen mit bestmöglicher Umweltverträglichkeit, zuverlässiger Ressourcenverfügbarkeit und geringstmöglichem Gefahrenpotenzialen verbunden werden.

Wir verzichten auf Rohstoffe, die hinsichtlich ihrer Beschaffung oder ihrer Umweltverträglichkeit kritisch sind – wie zum Beispiel aggressive Säuren, seltene Erden, Vanadium, Kobalt, Blei oder andere Schwermetalle. Diese Stoffe werden ersetzt durch umweltfreundliche und in Deutschland und Europa verfügbare Alternativen aus Keramiken, Kunststoffen (Polymeren), Glas oder Kohlenstoff.

(Druckbare) Folienbatterien Eintrag erweitern

Organische Radikal-Batterien (ORB) nutzen organische Polymere als aktives Elektrodenmaterial. Diese basieren auf sogenannten stabilen organischen Radikalen – Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron – und ersetzen kritische Schwermetallverbindungen wie zum Beispiel das Kobalt enthaltende Kathodenmaterial in Lithium-Ionen Batterien. Daher sind ORB risikoarm und nachhaltig. Zudem zeichnen sie sich durch eine hohe Leistungsdichte, schnelle Ladevorgänge (innerhalb weniger Minuten) und lange Lebensdauern aus. Prinzipiell können diese dünnen Batterien mittels Drucktechniken hergestellt werden.

Am CEEC Jena werden sowohl neue Aktivmaterialien wie auch optimierte Elektrolyte für ORB entwickelt.

Solarbatterien Eintrag erweitern

Unter Solarbatterien werden Hybridsysteme verstanden, die eine Solarzelle zur Energiegewinnung direkt mit einer Batterie zur Energiespeicherung vereinen. Bei derartigen Systemen kann der von der Solarzelle erzeugte Strom sowohl Verbraucher versorgen als auch direkt durch die integrierte Batterie gespeichert werden. Steht kein Sonnenlicht zur Verfügung, übernimmt die Batterie wiederum die Stromversorgung. Entsprechende Entwicklungen befinden sich weltweit noch im Stadium der Grundlagenforschung.

Am CEEC Jena forschen wir an der Entwicklung organischer Solarbatterien, also an der Kombination von organischen Solarzellen mit organischen Folienbatterien.

Natrium-Ionen-Batterien Eintrag erweitern

Natrium-Ionen-Batterien gelten als zukunftsweisende Technologie im Bereich der stationären Batteriespeichertechnik. Der Grundgedanke besteht darin, die kritische Ressource Lithium durch Natrium zu ersetzen – ein Rohstoff also, der eintausend Mal häufiger auf der Erde vorkommt als Lithium. Neben der besseren Ressourcenverfügbarkeit gestaltet sich mit Natrium auch das Recycling der Batterien nach Ablauf der Gebrauchsdauer sehr viel einfacher. Die zentrale Herausforderung der Technologie liegt darin, thermische Prozesse und die Korrosion zu kontrollieren und dadurch die Zyklenstabilität und die Sicherheit der Systeme zu gewährleisten. Zudem wird international daran gearbeitet, Massentauglichkeit zu erlangen und die Nachteile von Größe, Gewicht und niedrigerer Betriebsspannung auszugleichen. Potenzielle Applikationen für die diversen Typen der Natrium-Ionen-Batterien sind stationäre Speicheranwendungen, zum Beispiel als Pufferspeicher für Windkraft- und Solaranlagen.

Am CEEC Jena werden sowohl Hochtemperatur- als auch Raumtemperatursysteme untersucht.

Polymerbasierte Redox-Flow-Batterien Eintrag erweitern

Redox-Flow-Batterien (RFB) sind elektrochemisch reversible Nasszellen, d. h. die Aktivmaterialien liegen gelöst in flüssigen Lösungsmitteln vor. Die beiden sogenannten Elektrolyte (Katholyt und Anolyt) werden in separaten Tanks gelagert und zum Laden und Entladen in eine elektrochemische Zelle gepumpt, in welcher die Redoxreaktionen stattfinden. Der große Vorteil von RFB ist, dass Speicherkapazität und Leistung vollständig unabhängig voneinander eingestellt werden können. Zentrale Herausforderungen liegen darin, RFB zu entwickeln, die ohne den Einsatz seltener und damit teurer Substanzen (z. B. Vanadiumverbindungen) sowie korrosiver Lösungsmittel (z. B. Schwefelsäure) auskommen. Gleichzeitig müssen kostengünstige, skalierbare und langzeitstabile Systeme entwickelt werden.

Am CEEC Jena werden Materialien und Konzepte erforscht, die RFB deutlich verbessern und als einfach handhabbare, sichere und zugleich ökonomische Energiespeicher nutzbar machen. So wird an polymeren Aktivmaterialen gearbeitet, wodurch die Verwendung von kostengünstigen Dialysemembranen an Stelle von teuren ionenselektiven Membranen ermöglicht wird. Auf diese Weise können außerdem Vanadiumverbindungen und Schwefelsäure durch Polymere bzw. wässrige Kochsalzlösung ersetzt werden.

Superkondensatoren Eintrag erweitern

Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, auch Superkondensatoren genannt, kommen vor allem bei Hochleistungsanwendungen wie zum Beispiel in Defibrillatoren zum Einsatz. In Superkondensatoren wird die Energie durch einen physikalischen Prozess gespeichert. Hierbei wird eine sogenannte Doppelschicht zwischen den Elektroden und den Ionen des Elektrolyten ausgebildet. Da es sich dabei um einen sehr schnellen Prozess von nur einigen Millisekunden handelt, können Superkondensatoren buchstäblich in Sekundenschnelle geladen und entladen werden und erreichen extrem hohe Leistungen (10 kW kg-1). Außerdem sind Superkondensatoren sehr effizient und zeichnen sich durch eine hohe Zyklenzahl aus – sie können mehr als 500.000 Mal auf- und wieder entladen werden – da es beim physikalischen Speichervorgang nicht zu strukturellen Veränderungen des Materials kommt. Die Energiedichte liegt im Bereich von 5 Wh kg-1.

Am CEEC Jena forschen wir sowohl an der Entwicklung neuer und innovativer Elektrolyte wie auch an nanostrukturierten und kohlenstoffhaltigen Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren.

Themenbereich Energiewandlung​

Solarzellen werden unter UV-Licht getestet. Solarzellen werden unter UV-Licht getestet. Foto: Jan-Peter Kasper (Universität Jena)

Der Bereich Energiewandlung hat zwei Schwerpunkte: Verschiedene organische Photovoltaiktechnologien einerseits und die photokatalytische Wasserspaltung auf der anderen Seite.

Das letztgenannte Gebiet wird im Sonderforschungsbereich/Transregio (SFB/TRR) 234 "CataLight" untersucht. Dessen Ziel ist es, nach dem Vorbild der Natur Licht zur Herstellung energiereicher Materialien nutzbar zu machen und neue Materialien für eine nachhaltige Energiewandlung zu gestalten.

Die Arbeitsgruppen des CEEC Jena widmen sich in diesen Bereichen der Entwicklung neuer Materialien und der detaillierten Untersuchung bzw. Modellierung der ablaufenden Prozesse um diese im Detail mechanistisch aufklären zu können. Praktische Anwendung findet dies beispielsweise bei flexiblen gedruckten Solarmodulen.

Im Bereich der Photovoltaik stehen folgende Technologien im Fokus unseres Interesses:

  • Perovskitsolarzellen
  • Polymersolarzellen
  • Druckbare Solarzellen
  • Solarbatterien (d.h. Kombination aus Batterie und Solarzelle in einem System)
  • Gelelektrolyte für Farbstoffsolarzellen

Themenbereich Umwelttechnik​

Ein Messgerät bei der Arbeit. Ein Messgerät bei der Arbeit. Foto: TU Dresden, Professur für Strömungsmechanik, 2017 / FSU Jena

Im dritten Forschungsbereich des CEEC Jena, der Umwelttechnik, stehen vor allem verschiedene Membrantechnologien im Fokus. Unter anderem werden polymerbasierte Membranen untersucht, die beispielsweise über die Kombination von Blockcopolymeren erhalten werden.

Zusätzlich spielen Keramikmembranen – eine Kernkompetenz des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Hermsdorf – eine wichtige Rolle. Beispielsweise werden nanopörose Keramikmaterialien zur Stofftrennung und Membranen für die Hochtemperaturseparation untersucht. Ein weiterer Forschungsaspekt sind Wassertechnologien.

Kavitation Eintrag erweitern

Kavitation beschreibt die Bildung, das Wachstum und den implosiven Kollaps von Gas- oder Dampfblasen in Flüssigkeiten und erzeugt sowohl chemische als auch physikalische Effekte, die für eine breite Palette von Anwendungen eingesetzt werden können. Zu den chemischen Effekten gehören die sogenannten Hot-Spots, die sich im Zentrum der kollabierenden Blase bilden und Temperaturen von bis zu 5000 K und extrem hohe Drücke aufweisen. Dadurch kommt es zum einen zum pyrolytischen Abbau volatiler organischer Verbindungen in der Blase als auch zur homolytischen Spaltung von Wassermolekülen. Die dabei gebildeten Hydroxylradikale sind in der Lage Mikroschadstoffe, wie Pharmazeutika und Hormone, effektiv abzubauen. Damit gehört die Kavitation auch zu den Advanced Oxidation Processes (AOP). Die physikalischen Effekte basieren im Wesentlichen auf Scherkräften und Mikroströmungen, die an Phasengrenzflächen als sogenannte Mikrojets auftreten. Dadurch eignet sich die Kavitation besonders für Misch- und Reinigungsprozesse, kann aber auch bei massetransportlimitierten Reaktionen maßgeblich zur Beschleunigung dieser beitragen.

Innerhalb des Arbeitsbereiches werden sowohl hydrodynamische als auch akustische Kavitation sowie deren Kombination in verschiedenen Forschungsbereichen eingesetzt. Grundlage bildet dabei unter anderem die akustische bzw. optische Kavitationsfeldanalyse mittels Hydrophon bzw. Chemilumineszenz sowie die Reaktorentwicklung und Optimierung für entsprechende Anwendungen.

Kavitationsverfahren werden am CEEC Jena aber auch in der Prozessintensivierung verschiedener transportlimitierter Reaktionen oder mehrphasigen Systemen eingesetzt. Die Synthese von Nanopartikeln oder das Beschichten verschiedener Oberflächenmaterialien ist ebenso Bestandteil der Forschungsaktivitäten wie der Aufschluss und die Vorbehandlung von Biomassesubstraten zur Steigerung der Gasausbeuten und Reduzierung der Reststoffen.

Nachwachsende Rohstoffe Eintrag erweitern

Im Arbeitsfeld Nachwachsende Rohstoffe werden stoffstromabhängig energetisch-stoffliche Verwertungsoptionen geprüft und technisch umgesetzt.

Zur Prozessintensivierung der Biogaserzeugung werden Verfahren eingesetzt, welche den geschwindigkeitslimitierenden Prozessschritt der Hydrolyse verbessern. Hierfür können Kavitationsverfahren eingesetzt werden, da diese den Aufschluss der Biomasse unterstützen und neben der Steigerung der Biogasausbeute, die Gärrestmenge verringern und zu deutlichen Verbesserungen der nachgeschalteten Verfahren führen, weshalb Vorbehandlungsverfahren auch als Schlüssel für eine effiziente stoffliche und / oder energetische Nutzung von Biomasse angesehen werden.

Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen liefern einen Beitrag zur Sicherstellung der Mobilität, verbunden mit verschiedenen inhärenten Vor- und Nachteilen. Im Arbeitsbereich werden neue Konzepte zur Herstellung von Biokraftstoffen entwickelt, die u.a. biogene Reststoffe und alternative Energieeinträge nutzen.

Für die Entwicklung effizienter und ressourcenschonender Verfahren werden innerhalb der Projekte auch verschiedene Ansätze für neuartige Regelungs- und Steuerungskonzepte integriert. Dadurch soll z.B. der Energieeintrag (Desintegration/Biokraftstoffsynthese) dynamisch an die äußeren Randbedingungen wie z. B. die Kosten und Eigenschaften der Edukte, den aktuellen Strompreis, die Jahreszeit/Saison angepasst und stets am optimalen (ökonomisch/ökologisch) Betriebspunkt gehalten werden.

Wassertechnologie Eintrag erweitern
Injektionsfläschchen Injektionsfläschchen

Die Entwicklung neuer, innovativer Technologien zur Behandlung industrieller und kommunaler Abwässer sowie die Beseitigung von Kontaminationen (u. a. Mikroschadstoffe, Pharmazeutika) in verschiedenen aquatischen Systemen rücken immer mehr in den Fokus der Öffentlichkeit und Wissenschaft. Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf Verfahren im Bereich der Advanced Oxidation Processes (AOP), bei denen hochreaktive Sauerstoffspezies mit hohem Oxidationspotenzial gebildet und für den Abbau verschiedener organischer Schadstoffe genutzt werden. Hierbei kommen verschiedene Technologien wie Photo(kata)lyse, Ultraschall, hydrodynamische Kavitation, elektrochemische und pyro- sowie piezoelektrische Methoden zu Einsatz. Diese entwickelten Verfahren werden stoffstromabhängig u.a. beim oxidativen Abbau anthropogener (Mikro-)Schadstoffe wie Pharmazeutika oder Industriechemikalien eingesetzt. Dafür werden weiterhin sensitive analytische Messverfahren zur Detektion und Quantifizierung der oxidativen Spezies, der untersuchten Schadstoffe und deren Transformationsprodukte etabliert und Messmethoden entwickelt oder optimiert. Neben oxidativen Verfahren werden auch neuartige kohlenstoffbasierte Sorbentien für die adsorptive Abtrennung verschiedener Schadstoffe entwickelt.

Ein weiteres Forschungsfeld ist die Wertstoffrückgewinnung aus Abwässern. Phosphor als endliche Ressource und essentieller Makronährstoff ist dabei von besonderem Interesse und eng verknüpft mit der Sicherstellung der Ernährung. Um die Phosphorversorgung auch zukünftig sicherzustellen, werden verschiedene Möglichkeiten der Phosphatrückgewinnung aus Abwasserströmen erforscht. Am CEEC Jena werden darüber hinaus auch Membranverfahren und hierbei speziell Modifikationen der trennaktiven Schichten für die Behandlung von Öl/Wasser-Emulsionen erforscht und weiterentwickelt.

Das Thema Mikroplastik und dessen Auswirkungen und Langzeiteffekte auf verschiedene Ökosysteme sind in den letzten Jahren stark in das öffentliche Interesse gerückt. Die Schadwirkung auf die Fauna durch Ingestion ist bereits bekannt, Langzeiteffekte können bisher nur abgeschätzt werden. Ein weiterer, bisher wenig untersuchter Effekt ist das (De-)Sorptionsverhalten von Mikroplastik mit Bezug zu photochemischen/mechanischen Alterungsprozessen. Die hydrophoben Oberflächen der Polymerpartikel können insbesondere hydrophobe organische Verbindungen (Industriechemikalien, Pharmazeutika) sorbieren und anreichern bzw. wieder freisetzen. Die Forschungsaktivitäten im Bereich Mikroplastik zielen u.a. auf ein besseres Verständnis des Sorptionsverhaltens unter Umweltbedingungen und der Entwicklung eines entsprechenden Modells zur Abschätzung von Schadstoffbeladungen.