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

In Anbetracht der sehr begrenzten Lithium- und Kobaltvorkommen und deren vorhersehbare Preisentwicklung ist eine Abdeckung des Speicherbedarfs alleine durch die Li-Technologie nicht zu realisieren. Hier können kostengünstige Batterien mit langer Lebensdauer und reichlich verfügbaren Elektrodenmaterialien, wie z.B. Zink, einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtstrategie leisten. Neben den klassischen Blei-Akkumulatoren und fortschrittlichen Systemen wie Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid und Lithium-Ionen, könnten in den nächsten Jahren Systeme wie z.B. Zink-Ionen-Batterie eine wichtige Rolle als stationäre, elektrochemische Speicher einnehmen. Im Vergleich zu Lithium weist Zink eine sehr hohe volumetrische Kapazität (5,8 Ah/l vs. 2,0 Ah/l für Lithium) bezogen auf die negative Elektrode auf. Zurzeit sind noch keine zinkbasierten, wiederaufladbaren Zink-Akkumulatoren auf dem Markt vorhanden. Herkömmliche primäre Zink/Luft-Batterien nutzen alkalische Elektrolyte, wodurch Wasserstoff als Nebenprodukt entstehen kann. Außerdem können Dendriten und Karbonate die Zelle irreversible beschädigen.

Ziel dieses Projekts ist es, eine neue Zink-Ionen-Batterie zu entwickeln, welche eine vergleichbare bzw. höhere Energiedichte als etablierte Technologien, wie z.B. Blei/Gel, Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid und Lithium-Ionen/Lithium-Eisenphosphat aufweist und die 1000 Zyklen-Marke auf Zellebene erreicht. Bis zum Projektende soll ein 6 V / 10 Ah Zink-Ionen-Batterie-Demonstrator gebaut werden. Durch Bündelung der vorhandenen Expertisen im Bereich der Zink-Ionen- bzw. Zink/Luft-Systeme und fundamentaler Modellierung, sollten die Ziele erreichbar und damit der Erfolg des Projektes gewährleistet sein.

HOPPECKE übernimmt im Gesamtprojekt die Arbeitspakete im Bereich Batterien und Zellen bis hin zum Energiesystem. Dabei werden die Ladetechnologien und –strategien inklusive der Überwachungseinheit und Engineering berücksichtigt. Ein weiterer Aspekt stellt dabei die Entwicklung von potentiellen Markteintrittskonzepten unter dem Aspekt der netzunabhängigen Energieabrechnung dar.

In einem ersten Arbeitspaket werden die besten Komponenten (Anode/Elektrolyt/Separator/Kathode) in einer Plexiglas-Zelle eingebaut, in der eine Kathode

(9 cm x 6 cm) zwischen zwei (9 cm x 6 cm) negativen Zink-Elektroden platziert wird. Als Matrix für die Zinkpaste wird ein Schaum verwendet. Eine Verzinnung mancher Bauteile wird bei Bedarf vorgenommen. Diese Zelle soll als Vorläufer des Hoppecke-Demonstrators dienen.

Ziel: 1,4V / 1Ah

In einem weiteren Arbeitspaket wird der Demonstrator aufgebaut und getestet. Hierbei wären unterschiedlichste Tests wichtig, um die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer des entwickelten Systems zu ermitteln und um einen Einsatzbereich zu evaluieren. Bei den genannten Tests handelt es sich um Performancetests. Es erfolgen Entladeprüfungen mit unterschiedlichen Entladeraten bei unterschiedlichen Temperaturen. Zusätzlich wird die Ladeakzeptanz bei unterschiedlichen Stromraten ermittelt.

Diese Tests werden bei unterschiedlichen Temperaturen und Ladezuständen durchgeführt. Zum Abschluss erfolgen Lebensdauerzyklenprüfungen und Ladeerhaltungstests.

Geplant ist ein Hochenergiedemonstrator mit folgenden Charakteristika:

Kapazitätsoptimierter Demonstrator: MnOx-Interk./IL+H2O oder ZnSO4/LDH-Zn-Legierung

Ziel: 6V / 10Ah

Soll-Leistung

Energiedichte: 80 Wh/kg

Leistungsdichte: ~20 W/kg

In einem abschließenden Arbeitspaket wird das Marktpotential der Zink-Ionen Technologie entlang der Wertschöpfungskette vom Material bis zum Modul abgeschätzt. Die für die Technologie-Bewertung zugrundeliegenden Kriterien sollen zusammengestellt werden. Die Evaluation erfolgt von den Industrie-Partnern zur Verfügung gestellten ökonomischen Basisdaten bis hin zu möglichen abgeleiteten ökologischen Recycling-Prozessrouten.

Ziel: Zusammenfassung der technologischen Evaluation

Die im Rahmen des hier beantragten Verbundprojekts gewonnenen positiven Ergebnisse sollen je nach Marktlage mittelfristig in ein Produkt einfließen, welches im Vergleich zu den bislang im Markt etablierten Systemen Vorteile beinhaltet. Vorteile wären zum einen die höhere Energiedichte. Zudem aus ökologischer Sicht in alkalischen Batterien die Substitution der negativen Cadmium-Elektrode gegen eine Zink-Elektrode. Denkbar wäre auch ein Ergebnistransfer von nur einer Polarität auf ein schon bestehendes System. Darüber hinaus stellt das relativ günstige und gut verfügbare Zink Vorteile gegenüber Lithium-haltigen Systemen dar. Prinzipielle Bereiche für einen Einsatz wären stationäre Energiesysteme, wie etwa die Notstromversorgung von IT-Telekommunikationsanlagen oder die Notstromversorgung von stationären Bahnsystemen (Schrankenanlagen, Stellwerke). Denkbar wäre auch ein Einsatz als Groß- oder Heimspeicher für PV-Anlagen. Diese Systemlösungen werden ebenfalls im Bereich der Integration von regenerativen Energieerzeuger eingesetzt. Schlüsselfertige Systeme zur Stromversorgung und Überwachung garantieren nahezu 100 Prozent Verfügbarkeit.

In mobilen Anwendungen wäre ein Einsatz von Zink-Ionen-Batterien prinzipiell auch denkbar, beispielsweise als Notstrombatterie in mobilen Bahnanwendungen.

Das Ziel wäre die Entwicklung eines komplett neuen Energiespeichersystems mit anschließender Einführung in die entsprechenden Märkte. Hier wären die zuvor schon erwähnten Bereiche der stationären Energieversorgung (Notstromversorgung, Energiepuffersysteme für Spannungsnetze) und mobile Traktionsanwendungen (Bahn rollend) zu nennen. Da die Firma Sonnen GmbH als assoziierter Partner in dem Zink-Ionen-Batterie-Projekt mitwirkt, ist eine spätere Kooperation prinzipiell denkbar, da sie eine große Expertise im Vertrieb von Hausspeichern als kleinere stationäre Anwendung in das Projekt einbringt.