Zink-Luft-Akkumulator als sicherer elektrochemischer Speicher für emissionsarme und explosionsgeschützte Industriebereiche

Wieder aufladbare Zink-Luft-Batterien haben das Potenzial, in vielfältigen Anwendungsbereichen als kostengünstige, umweltfreundliche und sichere elektrochemische Energiespeicher zu fungieren. Die nicht aufladbare Zink-Luft-Knopfzelle ist bereits weltweit als Standardbatterie in Hörgeräten etabliert, da sie kostengünstig, umweltverträglich und durch die Nutzung der Umgebungsluft zur Energiewandlung sehr kompakt ist. Die Hauptargumente für die Entwicklung marktfähiger Systeme liegen in der bestehenden Infrastruktur für weltweit etablierte Zink-Luft-Primärzellen, der hohen Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Aktivmaterials Zink und seiner Umweltverträglichkeit. Dazu kommen Sicherheitsaspekte, da Zink-Luft-Batterien mit wässrigen Elektrolyten betrieben werden und ein drastisch verringertes Gefährdungspotenzial gegenüber Lithium-Ionen-Batterien aufweisen.

Während primäre, nicht aufladbare Zink-Luft-Batterien seit langem erfolgreich eingesetzt werden, stellt die Entwicklung sekundärer, wieder aufladbarer Systeme nach wie vor eine große Herausforderung dar. Zu den bisher nicht zufriedenstellend gelösten Problemen gehören unerwünschte geometrische Veränderungen der Zinkelektrode, die bis zur Zerstörung der Batterie führen können, die unzureichende Leistungsfähigkeit und Stabilität der Sauerstoffelektrode sowie die Notwendigkeit zur Erhöhung von Energie- und Leistungsdichte sowie Wirkungsgrad.

Das Projektkonsortium unter der Leitung der Varta Microbattery GmbH deckt die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialbereitstellung bis zur Vermarktung der angestrebten Innovation ab. Im Fokus des Forschungsvorhabens stehen dabei alle wesentlichen Komponenten der Zink-Luft-Batterie: die Zinkelektrode, die Sauerstoffelektrode sowie ein optimierter Aufbau und Betrieb des Gesamtsystems.

Das Forschungs- und Entwicklungskonzept basiert auf dem neuen Ansatz, die wiederholte Aufladbarkeit der Zink-Luft-Batterie durch Bereitstellung einer porösen Elektrodenstruktur sicherzustellen, die mit flüssigem Elektrolyt durchströmt wird. Die Zinkspezies werden in diesem Aufbau aufgelöst und wieder abgeschieden, während die Grundstruktur der Elektrode stabil bleibt. Die Energiedichte der Batterie wird demnach durch die Löslichkeit der Zinkspezies im Elektrolyten bestimmt.

Wie in Vorarbeiten gezeigt wurde, kann die Zinkausnutzung durch Additive bis an die theoretische Kapazität erhöht werden. Eine zusätzliche Erhöhung der Lebensdauer der Batterie wird durch eine gepulste Stromführung bei der Aufladung erreicht, mit der die gefürchtete Bildung von dendritischen Zinkstrukturen vermieden wird. Systematische Untersuchungen der Zinkanode und des Elektrolytzustands sollen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Alterungseffekten und den Betriebsparametern liefern.

Die Sauerstoffelektrode wird als poröse Gasdiffusionselektrode (GDE) mit hoher Reaktionsoberfläche ausgeführt. An dieser Elektrode wird Sauerstoff beim Entladen reduziert und beim Aufladen wieder freigesetzt. Beide Funktionen sollen durch geeignete Elektrokatalysatoren in einer einzigen bifunktionalen GDE realisiert werden, was zu einem kompakten Zellaufbau mit einer hohen Leistungsdichte führt. Zusätzlich wird die GDE durch einen Ultrakurzpulslaserprozess funktionalisiert, um eine vergrößerte Oberfläche, bessere Benetzbarkeit und eine optimale Katalysatorstruktur zu erreichen. Alle hergestellten GDE werden bezüglich ihrer Porenstruktur sowie ihrer elektrokatalytischen Aktivität und Stabilität bewertet.

Die Zink- und Sauerstoffelektroden werden durch einen elektrisch nichtleitenden, aber ionenleitenden Separator voneinander getrennt, während die einzelnen Zellen durch Bipolarplatten miteinander verbunden werden, die auch Strömungskanäle für die zugeführte Luft enthalten. Durch entsprechende Rahmen, Dichtungen und Endplatten entsteht schließlich ein sogenannter Stack, der ähnlich wie eine Brennstoffzelle aufgebaut ist und dessen Leistung durch die zur Verfügung stehende Fläche der Elektroden bestimmt wird.

Das Projekt soll die Grundlagen für die Entwicklung einer leistungsstabilen, sekundären Zink-Luft-Batterie aus hochfunktionalen Einzelkomponenten liefern und das neue Konzept durch Aufbau und Betrieb eines Demonstrators mit 100 Watt Leistung validieren. Diese Leistungsklasse ist für die Übertragung der erlangten Erkenntnisse auf den industriellen Maßstab relevant.

Eine wirtschaftliche Verwertung sehen die Anwendungspartner primär in Industriebereichen, die strengen Emissionsauflagen unterliegen, wie der dezentralen Stromversorgung und der Grundlastdeckung bei Baumaschinen, Schiffen und industriellen Transportsystemen. Aufgrund der systemspezifischen Sicherheitsmerkmale wird zusätzliches Potenzial bei Anwendungen in explosionsgeschützten Industriebereichen gesehen.