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.

Im Teilprojekt Gasdiffusionselektroden unter der Leitung der Covestro Deutschland AG sollen neue bifunktionale Gasdiffusionselektroden für die ZiLsicher Zink-Luft-Batterie gefertigt und getestet werden. Ziel ist die elektrokatalytische Aktivität und insbesondere die Langzeitstabilität der Elektroden zu verbessern.

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.

Die Fertigung der neuen GDE basiert auf dem etablierten Prozess zur Herstellung von Sauerstoffverzehrkathoden (SVK) bei Covestro. Neue Elektrokatalysatoren basierend auf Silber- und Cobaltoxid werden in GDE eingearbeitet und in Testzellen geprüft. Zusätzlich werden ausgewählte 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 optimalen Ausführungen werden in den zwei Demonstratoren eingebaut.

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.

Das Teilprojekt liefert dazu die notwendigen bifunktionalen GDE-Elektroden, die für eine industrielle Anwendung bei Covestro Leverkusen in einer automatisierten Fertigungsanlage mit einer Jahreskapazität von 25.000 m² hergestellt werden könnten.

Eine wirtschaftliche Verwertung der Batterien 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.