Ein einführendes Lehrbuch zur elektrochemischen Energieumwandlung und-speicherung, das die aktuellen und zukünftigen Energieperspektiven berücksichtigt

Elektrochemische Energiewandler und -speicher schliet eine Lücke in der Literatur, indem es eine umfassende Beschreibung der Grundlagen und einen detaillierten Überblick über die realen, praktischen Anwendungen der elektrochemischen Energiespeicherung und-umwandlung bietet. Das von zwei anerkannten Experten zu diesem Thema geschriebene Lehrbuch behandelt sowohl die Grundlagen der Energieumwandlung und -speicherung als auch die Arten der Umwandlung und Speicherung von elektrischer Energie unter besonderer Berücksichtigung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen.

Das Buch richtet sich sowohl an Studierende als auch an Fachleute und deckt ein breites Spektrum an Themen ab, das von thermodynamischen, kinetischen und elektrochemischen Grundlagen bis hin zu einer vollständigen Darstellung aller elektrochemischen Systeme für die Energieumwandlung und -speicherung reicht. Zahlreiche Abbildungen, Beispiele und Beschreibungen praktischer Anwendungen erleichtern das Verständnis des dargestellten Materials. Dieses wichtige Lehrbuch:Bietet eine dringend benötigte Einführung in die Grundlagen und jüngsten Entwicklungen der elektrochemischen EnergietechnikBeleuchtet die Prozesse und Anwendungen der Energieumwandlung und -speicherungLiefert Informationen über experimentelle Methoden

Elektrochemische Energiewandler und -speicher richtet sich an Studierende der Chemie, der Materialwissenschaften und der Ingenieurwissenschaften und beantwortet die Nachfrage nach einer aktuellen Einführung in dieses wichtige Thema.

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.

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