Nachhaltige Zink-Ionen-Batterien für die Energiewende – Forschungsvorhaben hat schnelle industrielle Umsetzung zum Ziel
Stationäre Energiespeicher zur Entlastung des öffentlichen Stromnetzes bei
auftretenden Lastspitzen sind ein wichtiger Bestandteil zur Umsetzung der
Energiewende. Zink-Ionen-Batterien stehen für diese und andere Anwendungen
seit längerem im Fokus – bislang jedoch ohne kommerziellen Erfolg. Wie
eine industrielle Umsetzung gelingen kann, wird nun in dem vom BMBF
geförderten Forschungsprojekt »Wässrige Zink-Ionen-Batterien ZIB2«
untersucht. Zentrale Entwicklungsziele sind die Verwendung von
unkritischen, kostengünstigen Materialien, eine Erhöhung des
Wirkungsgrades und Verlängerung der Lebensdauer sowie die Anwendung
industrieller Zelldesigns.
Wässrige Zink-Ionen-Batterien (ZIB) werden gerne als grüne
Energiespeichertechnologie bezeichnet, da ihre Zellchemie auf ausreichend
verfügbarem Zink basiert. Die Batterien gelten als betriebssicher,
umweltfreundlich, wirtschaftlich und es besteht keine Explosions- oder
Brandgefahr, da Wasser ein wesentlicher Bestandteil der Zelle ist. Obwohl
die ZIB-Systeme bereits eine hohe technologische Reife erreicht haben,
konnte sich die Technologie im Vergleich zu der Lithium-Ionen-Batterie
(LIB) bislang nicht über breite Anwendungsfelder durchsetzen. Im Zuge der
immer größer werdenden Nachfrage nach nachhaltigen Speichertechnologien
rücken Alternativsysteme, wie ZIB jedoch mehr und mehr in den Fokus.
Hierbei wird die marktreife Entwicklung der Zink-Ionen-Technologie durch
die stetig steigende Nachfrage an Energiespeichern, die zunehmende
Rohstoffknappheit bei etablierten Systemen sowie dem Wunsch nach mehr
Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit zusätzlich beschleunigt. Somit
entwickelt sich die ZIB, gerade auf dem Gebiet der stationären Speicher,
zu einer echten Alternative zur dominierenden LIB-Technologie.
Stand der Technik und technische Herausforderungen der Zink-Ionen-
Batterien
Moderne Zink-Ionen-Konzepte bestehen zum einen, aus einer positiven
Elektrode mit einer Vielzahl an möglichen Materialen wie beispielsweise
Manganoxiden, Vanadiumoxiden oder Preußischblau-Analoga (PBA) wie z. B.
Kupferhexacyanoferrat und zum anderen aus einer negativen Elektrode aus
metallischem Zink. Hierzu kommt die Verwendung von Wasser als Elektrolyt,
was die intrinsische Sicherheit des ZIB-Systems immens steigert.
Kosteneffizienz, Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit sind
heutzutage die treibenden Kräfte bei der Wahl eines geeigneten
Batteriespeichers für stationäre Anwendungen, wie dem Speichern
überschüssiger Solar- oder Windenergie. Im Gegensatz zu etablierten
Technologien, wie z. B. LIB, erfüllen wässrige Zink-Ionen-Systeme die oben
genannten kritischen Anforderungen des Marktes vollkommen. Dank ihrer
hohen Umweltfreundlichkeit, der verwendeten wässrigen, ungiftigen
Elektrolyte und Materialien, der hohen spezifischen Leistung, die für
Stromnetzanwendungen unerlässlich ist, sowie der geringen Kosten durch die
gute Verfügbarkeit von Zink, stellen ZIB einen attraktiven Ansatz zur
Lösung des aktuellen und zukünftigen Energiespeicherproblems dar.
Die im ZIB2 adressierten PBA-Kathodenmaterialien zeichnen sich durch ihre
niedrigen Energieverluste sowie durch ihre Fähigkeit schnell Laden und
Entladen zu können aus. Dies macht sie für eine Anwendung im stationären
Energiespeichersektor besonders relevant, da hier schnell auf eventuelle
Lastspitzen im Stromnetz reagiert werden muss, um flächendeckende
Stromausfälle vermeiden zu können. Ein weiterer Vorteil von PBA-
Kathodenmaterialien ist ihre einfache, skalierbare und kostengünstige
Synthese. Im Zuge einer raschen Kommerzialisierung können somit
entsprechend große Mengen an Elektroden hergestellt und zu zahlreichen
Zellen weiterverarbeitet werden. Großer Nachteil der PBA-Systeme war
bisher ihre kurze Lebensdauer von ausschließlich 300 Zyklen (Lade- und
Entladevorgang). Allerdings konnten Projektpartner des ZIB2-Konsortium
durch geschickte Veränderung der jeweiligen PBA-Struktur, die Lebensdauer
der PBA-basierten ZIB bereits auf 800 Zyklen steigern. Hierbei werden im
laufenden Projekt weitere Strategien verfolgt, um die Leistungsfähigkeit
der ZIB-Technologie zu erhöhen und somit einen schnellen Einsatz der
entwickelten Zellen in realen Anwendungs¬szenarios zu ermöglichen.
Verbesserte Zykluslebensdauer und Effizienz durch neue Materialien und
Zellkonzepte
Um die Lebensdauer und den Wirkungsgrad der Zink-Ionen-Batterien weiter zu
erhöhen, synthetisieren, charakterisieren und optimieren die
Projektpartner neuartige Materialien, sowohl für die Anode, als auch für
die Kathode. Zudem werden neue Elektrolytzusammensetzungen hergestellt und
ausführlich untersucht. Darüber hinaus sollen die an den Elektroden
auftretenden Alterungsmechanismen, welche eine lange Lebensdauer der
Batteriezellen beeinträchtigen können, identifiziert und analysiert
werden. So können Anhaltspunkte für eine weitere Optimierung des
Zusammenspiels der Elektroden mit dem Elektrolyten gefunden werden. Nach
der Identifizierung vielversprechender Materialien und
Materialkombinationen sollen verschiedene industrienahe Zelldesigns
entwickelt, produziert und getestet werden, um das optimale Design für ein
finales, serienreifes Produkt zu ermitteln. Hierbei wird auch auf
unterschiedliche Herstellungsprozesse eingegangen, wobei z. B. auch das
Drucken von ZIB eine Rolle spielen soll. Abschließend unterziehen die
Projektbeteiligten alle Ausgangsmaterialien, Zellkomponenten sowie
Herstellungsprozesse einer ausführlichen ökonomischen und ökologischen
Bewertung, um das Marktpotenzial dieser neuartigen Batterietechnologie in
Gänze eruieren und die Wirtschaftlichkeit sowie Umweltfreundlichkeit des
ZIB-Systems nachweisen zu können.
Hintergrundinformationen
Das ZIB2 Projekt wird von der Varta Microbattery GmbH koordiniert, die die
Skalierung des Zelldesigns zum Ziel hat und den industrienahen
Demonstrator vorantreibt. Die Elektrochemie der Aktivmaterialien wird an
der Universität Bremen analysiert und untersucht. Die GRILLO-Werke AG
bringt ihr Know-how zu Zinkmaterialien und deren Einsatz als Anoden ein.
Das Fraunhofer IFAM stellt die Preußischblau-Analogen Kathodenmaterialien
im großen Maßstab her und entwickelt die Elektrodenformulierungen und
-beschichtungen. Die Anpassung der Zn-basierten Elektrolyte wird von
E-Lyte Innovations GmbH entwickelt. Battronics GmbH adressiert
Alterungsmodelle, Kostenbetrachtung und Wertschöpfung.
Förderung
Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF
Förderkennzeichen: FKZ: 03XP0523
Laufzeit: 2.2023-1.2026
Projektträger: Projektträger Jülich (PtJ)
Projektpartner
Varta Microbattery GmbH (Koordinator)
Universität Bremen, Fachgebiet Energiespeicher- und Energiewandlersysteme
GRILLO-Werke AG
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung
IFAM
E-Lyte Innovations GmbH
Battronics GmbH
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