Innerhalb dieses Projekts soll eine effiziente, wieder aufladbare 3 V Magnesium-Ionen Batterie als Alternative zur Lithium-Ionen Technologie entwickelt werden, um einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit von Energiespeichersystemen zu liefern.

Zur Realisierung der ambitionierten Ziele stehen Schlüsselkomponenten, wie Anode, Elektrolyt und Kathode im Forschungsschwerpunkt. Einerseits muss die metallische Magnesium Anode bezüglich der Magnesium Abscheidung und Wiederauflösung optimiert werden. Andererseits bedarf es dafür aber auch der Verbesserung eines nicht-wässrigen Elektrolytsystems, das zugleich mit der Kathode kompatibel sein muss. Des Weiteren ist die Synthese eines neuartigen Kathodenmaterials von enormer Bedeutung, wodurch die 3 V Spannung der angestrebten Magnesium-Ionen Batterie überhaupt erst erreicht werden kann. Durch das MagIC-Projekt ist es möglich, Mg-Batteriesysteme mit einer deutlich höheren Energiedichte im Vergleich zu Lithium Systemen zu entwickeln (~ 500 Wh/kg ggü. ~ 300 Wh/kg für Li), wobei die Herstellung der Magnesium-Metallanode gleichzeitig um einen Faktor von 24 billiger ist.

Flexible Elektronik ist die nächste universelle Entwicklungsplattform für die Elektronikindustrie. In Absehbarer Zeit sollen Forschungsaktivitäten in dieser Richtung konforme, zuverlässige oder sogar transparente elektronische Anwendungen und Systemlösungen ermöglichen. Graphen, welches in sehr dünnen Schichten appliziert werden kann zeichnet sich durch hohe Flexibilität, gute mechanische Stabilität und einer sehr hohen elektronischen Leitfähigkeit aus was dieses Material für den Einsatz in flexiblen elektronischen Systemen prädestiniert. Die Verwendung von Graphen ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen in Analogie bzw. aber auch komplementär zur allgegenwärtigen auf Silizium basierenden Technik. Das in diesem Projekt involvierte Konsortium arbeitet an der Bereitstellung einer vollständigen Lieferkette beginnend mit den Grundmaterialien wie Graphen oder Graphen-Tinten bis hin zur Komponentenentwicklung und schließlich zur vollflexiblen Systemintegration.

Ein wesentlicher Aspekt dieses Projektes ist die Entwicklung von auf Graphen basierenden flexiblen Energiespeichern und Energiesammlern. Für die Anwendung in Lithium Ionen Batterien zeigt Graphen vielversprechende spezifische Kapazitäten von bis zu 744 mAh/g. Desweiteren ist die spezifische Kapazitanz von Graphen um ein vielfaches höher als jene die mit aktivierten Kohlenstoffen in kommerziellen Super-Kondensatoren erreicht wird. Darüber hinaus ist Graphen ein vielversprechendes Material um als Leitfähigkeitszusatz in Komponenten für elektrochemische Stromquellen eingesetzt zu werden.

Ziel von ORB ist es, einen auf Polyradikalen basierenden elektrochemischen Energiespeicher zu entwickeln. Solche organische Radikal-Batterien haben gegenüber anderen Batterietypen wesentliche Vorteile wie hohe Ratenfähigkeit (Strombelastbarkeit) und eine hohe Zyklenlebensdauer (>1000 Zyklen) und können dennoch hohe Lade-/Entladekapazität (ca. 200 mAh/g) gewährleisten.

Bereits in den 1970er Jahren wurden sekundäre organische Batterien erstmalig erwähnt, wobei der damalige Ansatz von Heerer et al. auf im dotierten Zustand leitfähigem Polyacetylen basierte. Die wissenschaftliche Entwicklung führte zu Polymeren als Matrix, welche mit einer Vielzahl von redoxaktiven Seitengruppen einen Ladungstransport durch so genanntes Electron-Hopping“ entlang der aktiven Seitengruppen gewährleisten. Bekanntester Vertreter ist beispielsweise die 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO) Einheit, wobei in der Batterieanwendung TEMPO-Einheiten an einer Polymermatrix immobilisiert werden, um daraufhin als Kathodenmaterial zu fungieren. Während im Ladeprozess das Nitroxidradikal zum Oxammonium-Kation oxidiert wird, findet im Entladeprozess die Rückreaktion zum Radikal statt.

Auf diesen Vorergebnissen aufbauend werden die Forschungsarbeiten zu diesem Projekt im Rahmen des Polymer Competence Center Leoben (PCCL) am Institut für Chemische Technologie von Materialien (ICTM) der TU Graz durchführt.

Eine der Möglichkeiten, die Energiedichte von state-of-the-art Lithium-Ionen-Batterien signifikant zu erhöhen, ist der Einsatz von Schwefel als Aktivmaterial an der positiven Elektrode. Dies würde elektrochemische Energiespeicher mit einem Energieinhalt von bis zu 750 Wh kg^-1 ermöglichen. Des Weiteren ließen sich dadurch kostengünstigere Systeme realisieren, da Schwefel besser verfügbar, billiger und weniger giftig ist als die kommerziell verfügbaren kobaltbasierenden Materialien. Jedoch birgt die Lithium-Schwefel-Chemie einige Herausforderungen in sich, die nur durch systematische Weiterentwicklung neuer Materialkonzepte überwunden werden können. Nachfolgende Effekte sind maßgeblich für die schlechte Zyklenstabilität von Lithium-Schwefel-Zellen verantwortlich:

• Geringe elektrische und ionische Leitfähigkeit des Schwefels
• Löslichkeit von Polysulfiden in den gebräuchlichen Elektrolytsystemen
• Geringe Reversibilität der Lithium Abscheidung und Auflösung

Dem vorliegenden Projekt liegt der Anspruch zu Grunde, durch neue Materialkonzepte diese bestehenden Limitierungen des Lithium/Schwefelsystems zu überwinden.

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von Materialtechnologien, die die Realisierung von Lithium-Schwefel-Batteriesystemen ermöglichen, durch welche sich eine bis zu 3 Mal höhere spezifische Energie im Vergleich zu kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien erzielen ließe. Dies soll durch die Entwicklung von hierarchisch nano- und micro-strukturierten Schwefel/Kohlenstoff-Elektroden erreicht werden. Zum tieferen chemischen Verständnis der ablaufenden elektrochemischen Reaktionen werden auf diese Zellchemie adaptierte spektro-elektrochemische in-situ Methoden entwickelt. Mit Hilfe der elektrochemischen in-situ-FTIR Methode sollen Effekte im Elektrolyten allgemein, sowie die ladezustandsabhängigen Veränderungen von Elektrolytkomponenten untersucht werden. Die in-situ-XRD Methode soll Aufschluss über die Reversibilität der potentialabhängigen elektrochemischen Reaktionen an der Schwefel/Kohlenstoff-Elektrode geben. Die aus diesen Experimenten gewonnenen Erkenntnisse sollen zur Optimierung von Elektrolytkomponenten bzw. der Elektrodenmaterialien in Lithium-Schwefel-Zellen dienen.

Als „Large-scale integrating project“ hat PLIANT die Implementierung von Oberflächen-Nanotechnologien in den Bereichen Energiespeicherung, Photovoltaik und Aeronautics zum Ziel. Der Bereich Energiespeicherung beschäftigt sich mit der Entwicklung eines „Roll-to-Roll“ (R2R) Prozesses für die Herstellung strukturierter 3-dimensionaler Kohlenstoff-Nano-Röhren (CNT). Dieses Material besitzt ein hohes technisches Potential um in zukünftigen Hochenergiebatterien (Li/S) sowie in Hybridkondensatoren, welche als Schlüsselkomponenten von Energiespeichersystemen der nächsten Generation identifiziert wurden, Einsatz zu finden. Des Weiteren werden in-line Produktionsprozesse  entwickelt, um diese CNT´s mit nano-strukturierten Aktivmaterialien wie Schwefel oder Lithiumsulfid zu beschichten. Resultat des Projektes wird ein umfassendes Konzept für den Aufbau einer in-line Pilotanlage zur Fertigung von Energiespeichersystemen basierend auf diesen 3-dimensionalen Kohlenstoff-Nano-Röhren sein.

Dem Projekt liegt die Idee zugrunde in Versuchsanlagen funktionelle, nano-poröse, kohlenstoffhaltige Materialien aus natürlich vorkommenden Rohstoffen (Polysacchariden) zu produzieren. Der diesbezüglich verwendete Prozess wurde von einem Projektpartner auf einem TRL-Level von 5 unter dem Begriff STARBON® realisiert und besteht aus dem Quellen, Trocknen und Pyrolysieren von natürlichen Rohstoffen, wie in diesem Fall Stärke.
Auf Basis dieses Prozesses werden im Rahmen des EU-Projektes neuartige Metall/Metalloxid dotierte, nanoporöse, kohlenstoffhaltige Materialien entwickelt. Um dabei die Flexibilität zu erreichen Materialien unterschiedlicher Charakteristiken für die verschiedenen industriellen Anwendungen zu generieren, muss diese Technologie ausgeweitet und modifiziert werden. Reichlich auftretende, natürliche Rohstoffe bilden hierbei eine günstige und versorgungssichere Materialquelle für die industrielle Umsetzung der kohlenstoffhaltigen Materialien mit Porositäten im Nanometerbereich. Im Rahmen des Projektes sollen auch kohlenstoffhaltige Materialien mit gesteigerter Funktionalität durch Imprägnierung- und Sol-Gel-Prozesse erstellt werden.
Die im POROUS4APP Projekt erstellten, neuartigen Materialien sollen hierbei die anspruchsvollen Anforderungen von vergleichbaren, derzeitig eingesetzten Materialien hoher Wertschöpfung bei einem geringeren Preis erfüllen. In diesem Sinne müssen die Materialien eine wohldefinierte Porosität aufweisen um eine hohe Effizienz in der jeweiligen Anwendung sicherzustellen. Beispielhafte Anwendungen hierfür stellt der Einsatz der Materialien in Energiespeichersystemen wie Lithium-Ionen-Batterien, sowie die Verwendung in chemischen Katalyse Prozessen dar.

Ziel des Projektes stellt die Verbesserung der Performance von Lithium Ionen Batterien und Supercaps dar. Das Fundament solcher Verbesserungen ist ein besseres Verständnis des Aufbaus von Zwischenphasen an Elektrodengrenzflächen während der Zyklisierung, wobei auf diese Weise eine Kontrolle bzw. Optimierung ebendieser ermöglicht wird. Diese Zielsetzung wird in ENERGY.2013.7.3.3 thematisiert.

Mithilfe eines Netzwerkes von Charakterisierungsmethoden werden im Rahmen des Projektes Grenzflächen und ihr Verhalten in situ bzw. in operando untersucht. Die Zielsetzung liegt in der Kontrolle bzw. Optimierung der Elektroden/Elektrolytgrenzschicht der Anode durch Untersuchung der strukturellen, chemischen und morphologischen Veränderung während des Lade-/Entladeprozesses. Dies umfasst Studien der Aktivmaterialmorphologie und Funktionalisierung bei unterschiedlichen Elektrodenformulierungen und Elektrolytformulierungen. Für ein vertieftes Verständnis der Grenzschichten von wiederaufladbaren Batterien und Supercaps werden unterschiedliche, klassische sowie fortschrittliche Charakterisierungsmethoden angewandt, welche auch Großgeräte umfassen, die beispielsweise eine Bestrahlung mit Synchrotron- und Neutronen Strahlung erlauben. In diesem Zusammenhang werden Elektroden auf molekularer und atomarer Ebene untersucht und diese Ergebnisse mit Modelsystemen und mit numerischen Simulationen kombiniert. Auf Basis dieser Erkenntnisse werden Strategien entwickelt, welche die Basis für zukünftige Innovationen an großen Energiespeichersystemen auf Stromnetzebene erlauben. Des Weiteren umfasst das Projekt auch das Testen der Leistungsfähigkeit und Sicherheit eben dieser entwickelten Strategien. Das Hauptaugenmerk des Projektes liegt hierbei nicht in der Entwicklung neuartiger Materialien, sondern in der Verbesserung bestehender Materialien wie nano-partikulärem Silizium und Graphen basierenden Kohlenstoffmaterialien.

In den letzten Jahren konnten nano-strukturierte Filme zunehmende Bedeutung in elektronischen (Transistor), optischen (OLED), magnetischen und vor allem elektrochemischen (Batterien und Superkondensator) Applikation erlangen.

Eine vielversprechende Anwendung im Rahmen dieser Stoffklasse stellt der Einsatz von Graphen als negatives Elektrodenmaterial sowie als Leitfähigkeitsadditiv für die negative und positive Elektrode in Lithium-Ionen-Zellen dar. In Superkondensatoren werden Elektroden basierend auf diesen Materialien ebenfalls herausragende Fähigkeiten attestiert.

Bei der elektrochemischen Reaktion von Graphen mit Lithium wird die Ausbildung der Grenzstruktur LiC₃ postuliert, wodurch eine theoretisch maximale Kapazität von 744 Ah/kg möglich ist. Zusätzlich weisen diese Materialien eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit auf, woraus sich auch die Anwendung als Leitfähigkeitsadditiv ergibt.

Gemeinsam mit den 7 exzellenten Partnern und unterstützt durch das 7. Rahmenprogrammes der Europäischen Kommission wird seitens der VARTA Innovation GmbH die Eignung von Graphen für die Anwendung in Lithium-Ionen-Zellen untersucht.