Fraunhofer forscht an nachhaltigen Zink-Ionen-Batterien
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Stationäre Energiespeicher zur Entlastung des öffentlichen Stromnetzes bei auftretenden Lastspitzen sind ein wichtiger Bestandteil zur Umsetzung der Energiewende, schreibt das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in einer Pressemitteilung. Zink-Ionen-Batterien stünden 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 seien 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“, führt das IFAM aus. Die Batterien gelten demnach als betriebssicher, umweltfreundlich, wirtschaftlich – und es bestehe keine Explosions- oder Brandgefahr, da Wasser ein wesentlicher Bestandteil der Zelle sei.
Obwohl die ZIB-Systeme bereits eine hohe technologische Reife erreicht hätten, konnten 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“, heißt es in der Mitteilung. Hierbei werde 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 entwickele sich die ZIB, gerade auf dem Gebiet der stationären Speicher, zu einer echten Alternative zur dominierenden LIB-Technologie.
Vielzahl an Materialien möglich
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 zum Beispiel Kupferhexacyanoferrat und zum anderen aus einer negativen Elektrode aus metallischem Zink. Hierzu komme die Verwendung von Wasser als Elektrolyt, was die intrinsische Sicherheit des ZIB-Systems immens steigere.
„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“, schreibt Fraunhofer. Im Gegensatz zu etablierten Technologien, wie zum Beispiel LIB, erfüllten 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 sei, sowie der geringen Kosten durch die gute Verfügbarkeit von Zink, stellten ZIB einen attraktiven Ansatz zur Lösung des aktuellen und zukünftigen Energiespeicherproblems dar.
Die im ZIB2 adressierten PBA-Kathodenmaterialien zeichneten sich durch ihre niedrigen Energieverluste sowie durch ihre Fähigkeit aus, schnell laden und entladen zu können. Dies mache sie für eine Anwendung im stationären Energiespeichersektor besonders relevant, da hier schnell auf eventuelle Lastspitzen im Stromnetz reagiert werden müsse, um flächendeckende Stromausfälle vermeiden zu können. Ein weiterer Vorteil von PBA-Kathodenmaterialien sei ihre einfache, skalierbare und kostengünstige Synthese. Im Zuge einer raschen Kommerzialisierung könnten somit entsprechend große Mengen an Elektroden hergestellt und zu zahlreichen Zellen weiterverarbeitet werden.
Großer Nachteil der PBA-Systeme sei bisher ihre kurze Lebensdauer von ausschließlich 300 Zyklen (Lade- und Entladevorgang) gewesen. „Allerdings konnten Projektpartner des ZIB2-Konsortium durch geschickte Veränderung der jeweiligen PBA-Struktur, die Lebensdauer der PBA-basierten ZIB bereits auf 800 Zyklen steigern“, schreibt das IFAM. Hierbei würden im laufenden Projekt weitere Strategien verfolgt, um die Leistungsfähigkeit der ZIB-Technologie zu erhöhen und somit einen schnellen Einsatz der entwickelten Zellen in realen Anwendungsszenarios zu ermöglichen.
Lebensdauer spürbar verlängert
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 sollen neue Elektrolytzusammensetzungen hergestellt und ausführlich untersucht werden. Darüber hinaus sollen die an den Elektroden auftretenden Alterungsmechanismen, welche eine lange Lebensdauer der Batteriezellen beeinträchtigen könnten, identifiziert und analysiert werden. So könnten 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 werde auch auf unterschiedliche Herstellungsprozesse eingegangen, wobei zum Beispiel auch das Drucken von ZIB eine Rolle spielen soll.
Abschließend wollen die Projektbeteiligten alle Ausgangsmaterialien, Zellkomponenten sowie Herstellungsprozesse einer ausführlichen ökonomischen und ökologischen Bewertung unterziehen, um das Marktpotenzial dieser neuartigen Batterietechnologie in Gänze eruieren und die Wirtschaftlichkeit sowie Umweltfreundlichkeit des ZIB-Systems nachweisen zu können.
Als Hintergrund schreibt Fraunhofer: „Das ZIB2 Projekt wird von Varta Microbattery koordiniert, das die Skalierung des Zelldesigns zum Ziel hat und den industrienahen Demonstrator vorantreibt. Die Elektrochemie der Aktivmaterialien wird an der Universität Bremen analysiert und untersucht.“ Grillo-Werke wiederum bringe sein Know-how zu Zinkmaterialien und deren Einsatz als Anoden ein. Das Fraunhofer IFAM stelle die Preußischblau-Analogen Kathodenmaterialien im großen Maßstab her und entwickle die Elektrodenformulierungen und -beschichtungen. Die Anpassung der Zink-basierten Elektrolyte werde von E-Lyte Innovations entwickelt. Battronics schließlich adressiere Alterungsmodelle, Kostenbetrachtung und Wertschöpfung.
Quelle: Fraunhofer – Pressemitteilung vom 18. September 2023
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