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

Die Zink-Ionen Batterie (ZIB), bestehend aus einer zinkbasierten Anode, einem wässrigen Elektrolyten, sowie einer Wirtstruktur für die Insertion von Zn2+ als Aktivmaterial auf der Kathodenseite. Die am meisten untersuchten Materialien für die Zink-Interkalation sind: Manganoxide und Polymorphe, Vanadium Oxide und Berliner Blau Derivate. Der Rohstoffpreis und die Umweltverträglichkeit sind deutlich besser adressiert als für die LIB wobei das Funktionsprinzip der ZIB dem einer Li-Metall-Batterie entspricht. Als Anode werden aufgrund der hohen Energiedichte Zinkfolie oder Zinkpulver verwendet. Überspannungen bei Abscheidung und Auflösung sind hierbei gering. Der Elektrolyt der Wahl ist zurzeit eine wässrige Zinkacetat- oder Zinksulfatlösung unterschiedlicher Konzentration (20mM – 2M). Dieser zeichnet sich durch hohe Ströme aus. Die Zellspannung ist aufgrund der Wasserspaltung jedoch auf 2V limitiert. Die Wasserstoffentwicklung an der Zink-Elektrode vor allem am Ende des Ladevorgangs stellt dennoch eine große Herausforderung dar. Das DFI wird insbesondere bei der Entwicklung einer Mangan-basierende Kathode involviert. Die Aktivkomponenten der Kathode sind im ZIB-Projekt auf häufig vorkommende und somit günstige Elemente begrenzt. Die Herausforderung liegt in der Synthese eines langzeitstabilen Materials. Die Kristall-Polymorphe des Manganoxids und der Wechsel zwischen den Phasen verringert die Zyklenstabilität erheblich. Die resultierende Limitierung der Kapazität ist noch nicht geklärt und der ungewollte Phasenwechsel konnte bisher nicht unterbunden werden. Im ZIB-Projekt ist der Bau eines Hochleistungs- und Hochenergiedemonstrators geplant, die sich vorwiegend durch die Auswahl des Kathodenmaterials unterscheiden. Aufgrund der relativen niedrigen Leitfähigkeit und hohen Kapazität des Manganoxids, wird sich das DFI in enger Zusammenarbeit mit der Fa. Hoppecke am Bau des Energiedemonstrators beteiligen. Hierbei ist eine gravimetrische Energiedichte von 80 Wh/kg anvisiert.

Die Aufgaben des DFI sind auf fünf Arbeitspakete verteilt:

• Entwicklung einer Manganoxid-basierten Kathode

Manganoxide wie δ-MnO2, α-MnO2, ZnMn2O4 sowie mit Al, Fe und Ni-gedopte Oxide werden durch eine Hydrothermal- oder Sol/Gel-Route hergestellt und hinsichtlich ihrer Porosität bzw. Leitfähigkeit, Aktivität für die Zn-Ionen-Interkalation/De-Interkalation und Stabilität optimiert. Die Machbarkeit des Recyclings der Reaktionslösung insbesondere der kostenspieligen TBAOH wird mit Hilfe einer Elektrodialyse-Zelle geprüft.

• Optimierte Zink- und Manganoxid-Pasten

Ziel ist es, die optimalen Herstellungsparameter der zu verarbeitenden Pasten und hergestellten Elektroden für die prismatische und zylindrische Zelle festzulegen. Die für die jeweiligen Demonstratoren benötigten relativ großen Manganoxid-Pulvermengen sollen in einem skalierbaren Syntheseaufbau hergestellt werden.

• Auslegung des prismatischen Hochenergie-Zelldesigns

Um das Zellkonzept für die Hochenergie(HE) Zink-Ionen-Batterie zu optimieren, wird die Wechselwirkung des Elektrolyten mit den aktiven und passiven Zellkomponenten untersucht, die zur Korrosionsprozesse sowie Wasserstoff- und Sauerstoff-Entwicklung führen kann. Eine Optimierung der jeweiligen Kontaktfläche sowie Auslegung der Elektroden- bzw. Elektrolytmasse wird vorgenommen.

• Entwicklung einer prismatische und zylindrischen (1,4 V / 1 Ah) Zellen

Die besten Zellkomponenten werden für den Bau einer prismatischen Zelle, bestehend aus einer Kathode platziert zwischen zwei Zinkanoden, eingesetzt und untersucht. Auf Basis dieser Ergebnisse werden dann einzelne Zellen für den prismatischen Hochenergiedemonstrator (11 Kathoden + 10 Anoden mit ca. 1,4 V und 1 Ah) gemeinsam mit der Fa. Hoppecke entwickelt. Es werden ebenfalls zylindrische Zellen gebaut, die zu Projektende auch bei Sonnen getestet werden.

• Bau eines 6 V / 10 Ah Hochenergie Zn-Ionen Demonstrators

Das DFI wird am Bau eines 6 V / 10 Ah Akkumulators bei Hoppecke durch die Lieferung des Kathodenmaterials beteiligt.

Aufgrund der langjährigen Erfahrung der in „ZIB“ beteiligten Projektpartner von der Materialentwicklung, Elektrochemie/Energiespeicher bis hin zum Zellen- und Modulbau sind die Erfolgsaussichten sehr gut. Die Hoppecke GmbH ist in der Lage, ein Produkt auf den Markt bringen zu können, welches durch die frühzeitige Einbindung eines potentiellen Kunden/Anwenders wie z.B. de assoziierten Partner be.storaged GmbH und sonnen GmbH kurzfristig Umsatz bescheren könnte. Hierbei wird insbesondere der Markt für stationäre Speicher adressiert. Im Laufe des Projektes wird das DFI das Manganoxid-Material sowie das Zelldesign gemeinsam mit den Projektpartnern entwickeln und relevante Ergebnisse in Form von Publikationen oder/und Patenten veröffentlichen. Durch die Einbindung von Studenten in dieses Forschungsvorhaben wird der wissenschaftliche Nachwuchs gefördert und dem Mangel an Fachkräften auf dem Gebiet der Materialforschung für eine nachhaltige Energiespeicherungstechnik entgegengewirkt.