Zink-Ionen-Batterien als ökonomische und ökologische Alternative für Großspeicher

Die Reduzierung der Verwendung von fossilen Brennstoffen und Kohlendioxid- Emissionen kann nur durch eine massive Penetration von erneuerbaren Energien auf dem Energiemarkt erlangt werden. Allerdings zeigt die aktuelle Situation, dass es ohne ein geeignetes Energiespeichersystem, welches ein kurzes Zeitverhalten, geringe Umweltauswirkungen, hohe Sicherheit und niedrige Kosten hat, unmöglich sein wird, in den nächsten Jahren die Prozentzahl von erneuerbaren Energiequellen auf dem Energiemarkt auf mehr als 25 Prozent zu bringen. Obwohl es heutzutage schon Energiespeichertechnologien wie Bleisäure- und Lithium-Ionen-Batterien gibt, erfüllen keine von ihnen die erforderlichen Kriterien für Stromnetzanwendungen. In diesem Zusammenhang haben wässrige Zink-Ionen-Batterien gezeigt, dass sie das Potenzial haben, den Anforderungen des stationären Energiespeichermarktes gerecht zu werden, da sie auf günstigen, ungiftigen Komponenten basieren und dennoch eine hohe Energiedichte und lange Lebensdauer erreichen. Das Ziel von ZIB ist es, die wasserbasierten Zink-Ionen-Batterien vom Labormaßstab auf Industriemaßstab zu bringen, indem nicht nur die Batteriekomponenten entwickelt, sondern auch das Batterie- und Moduldesign betrachtet werden. In diesem Zusammenhang werden zwei Batterie-Typen entwickelt, eine für hohe Energieleistung und eine für hohe Ausgangsleistung.

Um sein Ziel zu erreichen, ist ZIB in sechs Arbeitspakete unterteilt. Jedes Arbeitspaket deckt verschiedene Aspekte der wässrigen Zink-Ionen-Batterietechnologie (ZIB) ab und sie interagieren sehr stark.

Arbeitspaket 1 widmet sich der Entwicklung von Materialien und der Chemie der Zelle. Es beinhaltet die Entwicklung von Zinklegierungen (Grillo), Elektrodenkomponenten (UB) und Elektrolytzusammensetzungen (UB, TUC), um metallische Zinkanoden zu stabilisieren und der Bildung von Dendriten und unerwünschter Wasserstoffentwicklung entgegenzuwirken, die Entwicklung von Aktivmaterial für die Positivelektrode basierend auf Mangandioxid (DFI) für Hochenergie-ZIB oder Preußisch-blau-Analogen (UB, TUC) für Hochleistungs-ZIB.

Arbeitspaket 2 konzentriert sich auf die Entwicklung der Elektrodenmassenproduktion und das Zelldesign. Hier werden verschiedene Zelldesigns getestet, um die Lebensdauer der Batterie zu verbessern, die Gasansammlung in der Batterie zu vermeiden, die Aktivmaterialien zu stabilisieren und die pH-Schwankungen der Elektrolyte zu minimieren (UB, HIU/DLR, IFAM, DFI, Hoppecke). Verschiedene Materialzusammensetzungen werden getestet, um die Komponenten für die Hochenergie- und Hochleistungs-ZIB auszuwählen.

Arbeitspaket 3 ist für das Design und die Konstruktion der Module, der elektronischen Komponenten und die Lade- und Entladeprotokolle (Hoppecke, DFI, IFAM) zuständig.

Arbeitspaket 4, welches die Modellierung und Simulation des Transports und das Grenzflächenphänomen in der Zelle (HIU/DLR) beinhaltet, wird die Arbeiten aus den Paketen 1 bis 3 unterstützen – speziell im Hinblick auf die Auswahl des Zelldesigns.

Im Arbeitspaket 5 werden alle Partner zur technologischen Auswertung der Zink-Ionen-Batterietechnologie beitragen – mit speziellem Augenmerk auf die wirtschaftlichen und ökologischen Aspekte.

Ein weiteres Arbeitspaket fokussiert auf das Management des Projektes.

Das Projekt ZIB zeichnet sich durch seinen starken Anwendungsbezug aus. Mit dem Ziel, eine neue Technologie für stationäre Energiespeicherung zu entwickeln, liegt seine Hauptaufgabe darin, nicht nur das fundamentale Wissen des Grenzflächenphänomens, welches zwischen den Aktivmaterialien und den Elektrolyten in neuen Chemien auftritt, sondern auch das technologische Wissen zu entwickeln, welches für die Vermarktung von Zink-Ionen-Batterien nötig ist. Darüber hinaus werden zwei verschiedene Typen von ZIB entwickelt, eine für Hochenergie- und eine für Hochleistungsanwendungen, um die verschiedenen Bedürfnisse des Marktes zu befriedigen.

Das Wissen, das über ZIB gewonnen werden kann, kann auch für andere Metall-Ionen- oder Misch-Ionen-Batterien basierend auf Natrium oder Kalium verwendet werden. Die Erweiterung der Energiespeichersysteme wird das Potenzial für einen Durchbruch auf dem Markt für erneuerbare Energien erhöhen, mit einer konsequenten möglichen Reduzierung von Kohlendioxid-Emissionen. Außerdem werden Zink-Ionen-Batterien auf umweltfreundlicheren und recyclebaren Materialien basieren und somit den Umwelteinfluss der Energiespeichersysteme reduzieren.