Elektrochemische Energiewandler und -speicher

Eine Einführung
1. Auflage 2023
ISBN: 978-3-527-33430-8
Verlag: Wiley-VCH GmbH

Buch, Deutsch, 428 Seiten, Format (B × H): 170 mm x 241 mm, Gewicht: 878 g

Angesichts der stets wachsenden Bedeutung regenerativer Energien für die Energieversorgung ist das Thema elektochemischer Wandlung und -speicherung wichtiger denn je - das ist das Lehrbuch dazu.

Autoren/Hrsg.

Holze, Rudolf

Wu, Yuping

Fachgebiete

• Naturwissenschaften Chemie Physikalische Chemie Elektrochemie, Magnetochemie
• Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Technische Mechanik | Werkstoffkunde Materialwissenschaft: Biomaterialien, Nanomaterialien, Kohlenstoff
• Technische Wissenschaften Energietechnik | Elektrotechnik Energietechnik & Elektrotechnik
• Naturwissenschaften Chemie Chemie Allgemein
• Technische Wissenschaften Technik Allgemein Nachhaltigkeit, Grüne Technologien

Inhaltsverzeichnis

1 Prozesse und Anwendungen von elektrochemischer Wandlung und Speicherung
2 Electrochemische Prozesse und Systeme
2.1 Parasitische Reaktionen
2.2 Selbstentladung
2.3 Zelldegeneration
2.3.1 Alterung
3 Thermodynamik elektrochemischer Systeme
4 Kinetik elektrochemischer Energiewandlungsprozesse
4.1 Schritte in Elektrodenreaktionen und Überpotentiale
4.2 Transport
4.3 Ladungsdurchtritt
4.4 Überpotential
4.5 Diffusion
4.6 Weitere Überpotentiale
5 Elektroden und Elektrolyte
6 Experimentelle Methoden
6.1 Batterietester
6.2 Strom-Potentialmessungen
6.3 Lade/Entlade-Messungen
6.4 Batterieladung
6.5 Einfache und zyklische Voltammetrie
6.6 Impedanzmessungen
6.7 Galvanostatische Titration (GITT)
6.8 Potentiostatische Titration (PITT)
6.9 Elektrochemische Potentialsprungspektroskopie (SPECS)
6.10 Elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM)
6.11 Nicht-elektrochemische Methoden
6.11.1 Festkörper-Kernresonanzspektroskopie
6.11.2 Gasadsorptionsmessungen
6.11.3 Mikroskopien
6.11.4 Thermische Messungen
6.11.5 Modellierung
7 Primärsysteme
7.1 Wäßrige Systeme
7.1.1 Zink-Kohle-Batterie
7.1.2 Alkalische Zn//MnO2-Batterie
7.1.3 Zn//HgO-Batterie
7.1.4 Zn//AgO-Batterie
7.1.5 Cd//AgO-Batterie
7.1.6 Mg//MnO2-Batterie
7.2 Nichtwäßrige Systeme
7.2.1 Primäre Lithiumbatterien
7.2.2 Li//MnO2
7.2.3 Li//Bi2O3
7.2.4 Li//CuO
7.2.5 Li//V2O5, Li//Ag2V4O11, und Li//CSVO
7.2.6 Li//CuS
7.2.7 Li//FeS2
7.2.8 Li//CFx-Primärbatterie
7.2.9 Li//I2
7.2.10 Li//SO2
7.2.11 Li//SOCl2
7.2.12 Li//SO2Cl2
7.2.13 Li//Oxyhalid-Primärbatterie
7.3 Metall-Luft-Systeme
7.3.1 Wäßrige Metall-Luft-Batterien
7.3.2 Nichtwäßrige Metall-Luft-Batterien
7.4 Füllbatterien
7.4.1 Seewasser-aktivierte Batterien
7.4.2 Aktivierbare Hochleistungsbatterien
8 Sekundärsysteme
8.1 Wäßrige Systeme
8.1.1 Bleisäure
8.1.2 Bleigitter
8.1.3 Ni-basierte Sekundärbatterien
8.1.4 Wäßrige wiederaufladbare Lithium-Batterien
8.1.5 Wäßrige wiederaufladbare Natrium-Batterien
8.2 Nichtwäßrige Systeme
8.2.1 Lithium-Ionen-Batterien
8.2.2 Wiederaufladbare Li//S-Batterien
8.2.3 Wiederaufladbare Na//S-Batterien
8.2.4 Wiederaufladbare Li//Se-Batterien
8.2.5 Wiederaufladbare Mg-Batterien
8.3 Gel-Polymerelektrolyt-basierte Sekundärbatterien
8.3.1 Gel-Lithium-Ionen-Batterien
8.3.2 Gel-Elektrolyte für Natrium-Batterien
8.4 Festelektrolyt-basierte Sekundärbatterien
8.4.1 Lithium-Ionen-Feststoffbatterien
8.4.2 Wiederaufladbare Lithium-Feststoffbatterien
8.5 Wiederaufladbare Metall-Luft-Batterien
8.5.1 Wiederaufladbare Li//Luft-Batterien
8.5.2 Wiederaufladbare Na//Luft-Batterien
8.5.3 Wiederaufladbare Zn//Luft-Batterien
8.6 Hochtemperatursysteme
8.6.1 Natrium-Schwefel-Batterien
8.6.2 Natrium-Nickel-Batterien
8.6.3 Flüssigmetallakkumulatoren
9 Brennstoffzellen
9.1 Die Sauerstoffelektrode
9.2 Die Wasserstoffelektrode
9.3 Gemeinsamkeiten von Brennstoffzellen
9.4 Klassifizierung von Brennstoffzellen
9.4.1 Niedertemperaturbrennstoffzellen
9.4.2 Alkalische Brennstoffzellen
9.4.3 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs)
9.4.4 Alkoholdirektbrennstoffzellen
9.4.5 Bioelektrochemische Brennstoffzellen
9.4.6 Mitteltemperaturbrennstoffzellen
9.4.7 Phosphorsäurebrennstoffzellen (PAFC)
9.4.8 Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC)
9.4.9 Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC)
9.5 Anwendungen von Brennstoffzellen
9.6 Brennstoffzellen in Energiespeichersystemen
10 Redoxbatterien
10.1 Das Eisen/Chrom-System
10.2 Das Eisen/Vanadium-System
10.3 Das Eisen/Cadmium-System
10.4 Das Brom/Polysulfid-System
10.5 Das All-Vanadium-System
10.6 Das Vanadium/Brom-System
10.7 Actinid-RFB
10.8 All-organische RFB
10.9 Nichtwäßrige RFB
10.10 Hybride Systeme
10.11 Das Zink/Cer-System
10.12 Das Zink/Brom-System
10.13 Zink/organische Systeme
10.14 Cadmium/organische Systeme
10.15 Das Blei/Bleidioxid-System
10.16 Das Cadmium/Bleidioxid-System
10.17 Das All-Kupfer-System
10.18 Das Zink/Nickel-System
10.19 Das Lithium/LiFePO4-System
10.20 Vanadium-Festsalz-Batterien
10.21 Vanadium-Sauerstoff-Systeme
10.22 Elektrochemische Flußkondensatoren
10.23 Status und Perspektiven
11 Superkondensatoren
11.1 Klassifizierung von Superkondensatoren
11.2 Elektrische Doppelschichtkondensatoren
11.2.1 Elektrolyte für EDLCs
11.2.2 Elektrodenmaterialien für EDLCs
11.2.3 Elektrochemisches Verhalten von EDLCs
11.3 Pseudokondensatoren
11.3.1 RuO2
11.3.2 MnO2
11.3.3 Intrinsisch leitfähige Polymers
11.3.4 Redoxsysteme
11.3.5 Elektrochemisches Verhalten von Pseudokondensatoren
11.4 Hybride Kondensatoren
11.4.1 Negative Elektrodenmaterialien
11.4.2 Positive Elektrodenmaterialien
11.4.3 Elektrochemisches Verhalten von hybriden Kondensatoren
11.5 Vermessung von Superkondensatoren
11.6 Kommerziell erhältliche Superkondensatoren
11.7 Anwendung von Superkondenstoren
11.7.1 Unterbrechungsfreie Stromversorgung
11.7.2 Fahrzeuge
11.7.3 Intelligente Netze
11.7.4 Militärausrüstung
11.7.5 Weitere zivile Anwendungen

Geleitwort xi

Vorwort xiii

Akronyme, Begriffe und Definitionen xv

1 Prozesse und Anwendungen der Energiewandlung und -speicherung 1

Weiterführende Literatur 22

2 Elektrochemische Prozesse und Systeme 23

2.1 Parasitäre Reaktionen 32

2.2 Selbstentladung 33

2.3 Systemverschlechterung 36

2.3.1 Alterung 40

Weiterführende Literatur 42

3 Thermodynamik elektrochemischer Systeme 45

Weiterführende Literatur 61

4 Kinetik elektrochemischer Energieumwandlungsprozesse 63

4.1 Schritte von Elektrodenreaktionen und Überpotentialen 64

4.2 Transport 64

4.3 Ladungsdurchtritt 66

4.4 Überpotentiale 68

Weiterführende Literatur 78

5 Elektroden und Elektrolyte 81

5.1 Recycling 95

Weiterführende Literatur 96

6 Experimentelle Methoden 99

6.1 Batterietester 99

6.2 Strom-Potential-Messungen 100

6.3 Lade-/Entlademessungen 104

6.4 Batterieladung 113

6.5 Einfache und zyklische Voltammetrie 120

6.6 Impedanzmessungen 124

6.7 Galvanostatische Titration 131

6.8 Potentiostatische Titration 132

6.9 Elektrochemische Potentialsprungspektroskopie 133

6.10 Elektrochemische Quarzmikrowaage 134

6.11 Nichtelektrochemische Methoden 134

6.11.1 Festkörper-Kernresonanzspektroskopie 135

6.11.2 Gasadsorptionsmessungen 135

6.11.3 Mikroskopien 135

6.11.4 Thermische Messungen 135

6.11.5 Modellierung 136

Weiterführende Literatur 140

7 Primärsysteme 141

7.1 Wäßrige Systeme 143

7.1.1 Zink-Kohle-Batterie 143

7.1.2 Alkalische Zn/MnO2-Batterie 145

7.1.3 Zn/HgO-Batterien 149

7.1.4 Zn/AgO-Batterie 150

7.1.5 Cd/AgO-Batterien 153

7.1.6 Mg/MnO2-Batterien 155

7.2 Nichtwäßrige Systeme 156

7.2.1 Lithiumprimärbatterien 157

7.2.2 Li/MnO2 159

7.2.3 Li/Bi2O3 160

7.2.4 Li/CuO 161

7.2.5 Li/V2O5,Li/Ag2V4O11 und Li/CSVO 162

7.2.6 Li/CuS 163

7.2.7 Li/FeS2 164

7.2.8 Li/Cfx-primärbatterien 165

7.2.9 Li/I2 167

7.2.10 Li/SO2 167

7.2.11 Li/SOCl2 169

7.2.12 Li/SO2Cl2 172

7.2.13 Li/Oxyhalid-Primärbatterien 172

7.3 Metall-Luft-Systeme 173

7.3.1 Wäßrige Metall-Luft-Primärbatterien 173

7.3.2 Nichtwäßrige Metall-Luft-Batterien 185

7.4 Füllzellen 187

7.4.1 Seewasseraktivierbare Batterien 187

7.4.2 Aktivierbare Hochleistungsbatterien 189

Weiterführende Literatur 190

8 Sekundärsysteme 191

8.1 Wäßrige Systeme 193

8.1.1 Blei-Säure-Akkumulator 193

8.1.2 Sekundärbatterien auf Nickelbasis 207

8.1.3 Wäßrige wiederaufladbare Lithiumbatterien 221

8.1.4 Wäßrige wiederaufladbare Natriumbatterien 227

8.2 Nichtwäßrige Systeme 228

8.2.1 Lithium-Ionen-Batterien 228

8.2.2 Wiederaufladbare Li/S-Batterien 252

8.2.3 Wiederaufladbare Na/S-Batterien 255

8.2.4 Wiederaufladbare Li/Se-Batterien 257

8.2.5 Wiederaufladbare Mg-Batterien 257

8.3 Sekundärbatterien auf Basis von Gelpolymerelektrolyten 259

8.3.1 Gel-Lithium-Ionen-Batterien 260

8.3.2 Gelelektrolyte für Natriumbatterien 261

8.4 Sekundärbatterien auf Festelektrolytbasis 262

8.4.1 Feste Lithium-Ionen-Batterien 263

8.4.2 Wiederaufladbare feste Lithiumbatterien 264

8.5 Wiederaufladbare Metall-Luft-Batterien 265

8.5.1 Wiederaufladbare Li/Luft-Batterien 265

8.5.2 Wiederaufladbare Na/Luft-Batterien 268

8.5.3 Wiederaufladbare Zn/Luft-Batterien 269

8.6 Hochtemperatursysteme 271

8.6.1 Natrium-Schwefel-Batterie 271

8.6.2 Natrium-Nickelchlorid-Batterie 274

8.6.3 Flüssigmetallakkumulatoren 279

Weiterführende Literatur 279

9 Brennstoffzellen 281

9.1 Die Sauerstoffelektrode 286

9.2 Die Wasserstoffelektrode 292

9.3 Gemeinsamkeiten von Brennstoffzellen 293

9.4 Klassifizierung von Brennstoffzellen 297

9.4.1 Brennstoffzellen bei Umgebungstemperatur 298

9.4.2 Alkalische Brennstoffzellen 298

9.4.3 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) 300

9.4.4 Direkte Alkoholbrennstoffzellen 307

9.4.5 Bioelektrochemische Brennstoffzellen 309

9.4.6 Mitteltemperaturbrennstoffzellen 310

9.4.7 Phosphorsäurebrennstoffzellen 310

9.4.8 Schmelzcarbonatbrennstoffzellen 311

9.4.9 Hochtemperaturbrennstoffzellen 313

9.5 Anwendungen von Brennstoffzellen 314

9.6 Brennstoffzellen in Energiespeichersystemen 315

Weiterführende Literatur 317

10 Redoxbatterien 319

10.1 Das Eisen-Chrom-System 324

10.2 Das Eisen-Vanadium-System 325

10.3 Das Eisen-Cadmium-System 326

10.4 Das Brom-Polysulfid-System 326

10.5 Das All-Vanadium-System 327

10.6 Das Vanadium-Brom-System 328

10.7 Actiniden-RFB 329

10.8 All-Organische RFBs 330

10.9 Nichtwäßrige RFBs 330

10.10 Hybride Systeme 330

10.11 Das Zink-Cer-System 330

10.12 Das Zink-Brom-System 331

10.13 Das Zink/Organisch-System 332

10.14 Das Cadmium/Organisch-System 332

10.15 Das Blei-Bleidioxid-System 333

10.16 Das Cadmium-Bleidioxid-System 334

10.17 Das All-Kupfer-System 334

10.18 Das Zink-Nickel-System 334

10.19 Das Lithium-LiFePO4-System 335

10.20 Vanadium-Festsalz-Batterie 335

10.21 Vanadium-Sauerstoff-System 336

10.22 Elektrochemischer Flußkondensator 337

10.23 Entwicklungsstand und Perspektiven 337

Weiterführende Literatur 339

11 Superkondensatoren 341

11.1 Klassifizierung von Superkondensatoren 342

11.2 Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren 344

11.2.1 Elektrolyte für EDLCs 345

11.2.2 Elektrodenmaterialen für EDLCs 346

11.2.3 Elektrochemische Leistung von EDLCs 354

11.3 Pseudokondensatoren 356

11.3.1 RuO2 356

11.3.2 MnO2 359

11.3.3 Intrinsisch leitfähige Polymere 365

11.3.4 Redoxsysteme 373

11.3.5 Elektrochemische Leistung von Pseudokondensatoren 376

11.4 Hybridkondensatoren 380

11.4.1 Negative Elektrodenmaterialien 380

11.4.2 Positive Elektrodenmaterialen 389

11.4.3 Elektrochemische Leistung von Hybridkondensatoren 402

11.5 Testen von Superkondensatoren 408

11.6 Kommerziell erhältliche Superkondensatoren 408

11.7 Anwendung von Superkondensatoren 409

11.7.1 Unterbrechungsfreie Stromversorgung 410

11.7.2 Transport 411

11.7.3 Intelligente Netze 411

11.7.4 Militärische Ausrüstung 412

11.7.5 Andere zivile Anwendungen 413

Weiterführende Literatur 414

A Anhang 415

Stichwortverzeichnis 419

Über Autor(innen)

Rudolf Holze ist Professor für Physikalische Chemie und Elektrochemie an der Technischen Universität Chemnitz. Nach seinem Studium der Chemie und Promotion in der Elektrochemie an der Universität Bonn hat er sich an der Universität Oldenburg habilitiert. Er hat mehr als 450 wissenschaftliche Veröffentlichungen und er ist Autor, Koautor und Herausgeber von mehr als zehn Büchern.
 
Yuping Wu, PhD, ist Professor an der School of Energy Science and Engineering, Nanjing Tech University in Nanjing, China. Er hat mehr als 360 Publikationen veröffentlicht, viele Auszeichnungen erhalten, wie z. B. den Distinguished Youth Scientists Award der NSFC, China, und wurde 2015 als einer der einflussreichsten Köpfe von Highly Cited Researchers over the World ausgewählt.

Rudolf Holze ist Professor für Physikalische Chemie und Elektrochemie an der Technischen Universität Chemnitz. Nach seinem Studium der Chemie und Promotion in der Elektrochemie an der Universität Bonn hat er sich an der Universität Oldenburg habilitiert. Er hat mehr als 450 wissenschaftliche Veröffentlichungen und ist Autor, Koautor und Herausgeber von mehr als zehn Büchern.

Yuping Wu, PhD, ist Professor an der School of Energy Science and Engineering, Nanjing Tech University in Nanjing, China. Er hat mehr als 360 Publikationen veröffentlicht, viele Auszeichnungen erhalten, wie z. B. den Distinguished Youth Scientists Award der NSFC, China, und wurde 2015 als einer der einflussreichsten Köpfe von Highly Cited Researchers over the World ausgewählt.