ZIB2
Wässrige Zink-Ionen-Batterien 2
Zink-Ionen-Batterien stehen für diese und andere Anwendungen seit langem im Mittelpunkt des Interesses – bisher jedoch ohne kommerziellen Erfolg. Das vom BMBF geförderte Forschungsprojekt „Wässrige Zink-Ionen-Batterien ZIB2“ untersucht nun, wie eine industrielle Umsetzung gelingen kann. Zentrale Entwicklungsziele sind die Verwendung unkritischer, kostengünstiger Materialien, eine Steigerung des Wirkungsgrades und eine Verlängerung der Lebensdauer sowie die Anwendung industrieller Zellkonzepte.
Wässrige Zink-Ionen-Batterien (ZIB) werden oft als grüne Energiespeichertechnologie bezeichnet, da ihre Zellchemie auf ausreichend vorhandenem Zink basiert. Die Batterien gelten als zuverlässig, umweltfreundlich, wirtschaftlich und es besteht keine Explosions- oder Brandgefahr, da Wasser ein wesentlicher Bestandteil der Zelle ist. Obwohl ZIB-Systeme bereits einen hohen technologischen Reifegrad erreicht haben, konnte sich die Technologie im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie (LIB) noch nicht in einer breiten Palette von Anwendungen durchsetzen. Da jedoch die Nachfrage nach nachhaltigen Speichertechnologien weiter steigt, rücken alternative Systeme wie die ZIB zunehmend in den Fokus. Die marktreife Entwicklung der Zink-Ionen-Technologie wird durch die ständig steigende Nachfrage nach Energiespeichersystemen, die zunehmende Verknappung von Rohstoffen in etablierten Systemen und den Wunsch nach mehr Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit weiter beschleunigt. ZIB entwickelt sich daher zu einer echten Alternative zur dominierenden LIB-Technologie, insbesondere im Bereich der stationären Speichersysteme.
Stand der Technik und technische Herausforderungen bei Zink-Ionen-Batterien
Moderne Zink-Ionen-Konzepte bestehen zum einen aus einer positiven Elektrode mit einer Vielzahl möglicher Materialien wie Manganoxiden, Vanadiumoxiden oder Preußischblau-Analoga (PBA) wie Kupferferricyanid und zum anderen aus einer negativen Elektrode aus metallischem Zink. Darüber hinaus wird Wasser als Elektrolyt verwendet, was die Eigensicherheit des ZIB-Systems immens erhöht.
Kosteneffizienz, Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit sind die treibenden Kräfte bei der Wahl eines geeigneten Batteriespeichersystems für stationäre Anwendungen, wie z.B. die Speicherung von überschüssiger Solar- oder Windenergie. Im Gegensatz zu etablierten Technologien wie LIB erfüllen wässrige Zink-Ionen-Systeme die oben genannten kritischen Marktanforderungen vollständig. Dank ihrer hohen Umweltfreundlichkeit, der verwendeten wässrigen, ungiftigen Elektrolyte und Materialien, der hohen spezifischen Leistung, die für Stromnetzanwendungen unerlässlich ist, und der niedrigen Kosten aufgrund der guten Verfügbarkeit von Zink stellen ZIBs einen attraktiven Ansatz zur Lösung des aktuellen und zukünftigen Energiespeicherproblems dar.
Die in der ZIB2 behandelten PBA-Kathodenmaterialien zeichnen sich durch ihre geringen Energieverluste und ihre Fähigkeit zum schnellen Laden und Entladen aus. Das macht sie besonders relevant für Anwendungen im Bereich der stationären Energiespeicherung, wo es notwendig ist, schnell auf mögliche Lastspitzen im Stromnetz zu reagieren, um großflächige Stromausfälle zu vermeiden. Ein weiterer Vorteil der PBA-Kathodenmaterialien ist ihre einfache, skalierbare und kostengünstige Synthese. Im Zuge einer schnellen Kommerzialisierung können große Mengen an Elektroden hergestellt und zu zahlreichen Zellen verarbeitet werden. Ein großer Nachteil der PBA-Systeme war bisher ihre kurze Lebensdauer von nur 300 Zyklen (Lade- und Entladevorgang). Den Projektpartnern im ZIB2-Konsortium ist es jedoch bereits gelungen, die Lebensdauer von ZIBs auf PBA-Basis auf 800 Zyklen zu erhöhen, indem sie die jeweilige PBA-Struktur geschickt modifiziert haben. Im laufenden Projekt werden weitere Strategien verfolgt, um die Leistungsfähigkeit der PBA-Technologie zu erhöhen und so einen schnellen Einsatz der entwickelten Zellen in realen Anwendungsszenarien zu ermöglichen.
Verbesserte Zyklusdauer und Effizienz durch neue Materialien und Zellkonzepte
Um die Lebensdauer und Effizienz von Zink-Ionen-Batterien weiter zu erhöhen, synthetisieren, charakterisieren und optimieren die Projektpartner neue Materialien sowohl für die Anode als auch für die Kathode. Auch neue Elektrolytzusammensetzungen werden hergestellt und im Detail untersucht. Darüber hinaus sollen die an den Elektroden auftretenden Alterungsmechanismen, die die lange Lebensdauer der Batteriezellen beeinträchtigen können, identifiziert und analysiert werden. Auf diese Weise können Hinweise für eine weitere Optimierung der Wechselwirkung zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten gefunden werden. Nach der Identifizierung vielversprechender Materialien und Materialkombinationen werden verschiedene industrietaugliche Zelldesigns entwickelt, hergestellt und getestet, um das optimale Design für ein endgültiges, produktionsreifes Produkt zu ermitteln. Es werden auch verschiedene Herstellungsprozesse in Betracht gezogen, wie z.B. das Drucken von ZIBs. Schließlich werden die Projektteilnehmer alle Ausgangsmaterialien, Zellkomponenten und Herstellungsverfahren einer detaillierten wirtschaftlichen und ökologischen Bewertung unterziehen, um das Marktpotenzial dieser neuen Batterietechnologie vollständig zu ermitteln und die Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit des ZIB-Systems nachweisen zu können.
Hintergrundinformationen
Das ZIB2-Projekt wird von der Varta Microbattery GmbH koordiniert, deren Ziel es ist, das Zelldesign zu skalieren und den industrieorientierten Demonstrator voranzutreiben. Die Elektrochemie der aktiven Materialien wird an der Universität Bremen analysiert und untersucht. Die GRILLO-Werke AG steuert ihr Know-how über Zinkmaterialien und deren Verwendung als Anoden bei. Das Fraunhofer IFAM stellt die preußischblauen analogen Kathodenmaterialien in großem Maßstab her und entwickelt die Elektrodenformulierungen und -beschichtungen. Die Anpassung der Zn-basierten Elektrolyte wird von der E-Lyte Innovations GmbH entwickelt. Die Battronics GmbH befasst sich mit Alterungsmodellen, Kostenüberlegungen und Wertschöpfung.
