Entwicklung der ersten elektrisch wiederaufladbare Zink-Luft-Batterie im Projekt HIPERZAB

Metall-Luft Batterien bestehen üblicherweise aus einer metallischen Folie, welche den Negativpol der Batteriezelle bildet und einer katalytisch aktiven Schicht, welche als positive Elektrode der Zelle fungiert und an der die Sauerstoffentwicklung bzw. -reduktion beim Laden bzw. Entladen stattfindet. Die Komponenten sind in eine wässrige Lösung eines Salzes getaucht, dem sogenannten Elektrolyt, in der sich die Ladungsträger beim Laden und Entladen frei zwischen den Elektroden hin und her bewegen können.

Zink-Luft-Batterien sind eine Form der Metall-Luft Batterie, bei der das gut verfügbare Zink als negative Elektrode zum Einsatz kommt. Sie haben in bestimmten Aspekten Vorteile gegenüber Lithium-Ionen Batterien. Das macht sie besonders für die Anwendung in stationären Energiespeichern, also bei der Zwischenspeicherung fluktuierenden erneuerbaren Stroms, interessant. Vor allem die mögliche Verwendung von unkritischen Rohstoffen und im Überfluss vorhandenen, ungiftigen Materialien bei gleichzeitig hoher Energiedichte und Sicherheit ermöglicht es, günstige und kompakte Energiespeicher herzustellen, die auch für längere Speicherzeiten als einige Stunden geeignet sein könnten. Eine derartige Speichervariante fehlt im Technologieportfolio der Energiewende und könnte eine Schlüsselfunktion im Energiesystem der Zukunft einnehmen.

Primäre, also nicht-wiederaufladbare, Zink-Luft-Batterien sind derzeit bereits auf dem Markt erhältlich und werden z.B. für Hörgeräte oder für netzferne Anwendungen wie Elektrozäune oder zur Verkehrsregelung eingesetzt. Mehrere Hindernisse haben jedoch bisher die Kommerzialisierung einer wiederaufladbaren Version verhindert.

Eine große Rolle spielt dabei die geringe elektrische Wiederaufladbarkeit. Das liegt unter anderem daran, dass die Prozesse in der Batterie nur schwer umkehrbar sind und die Effizienz des Gesamtsystems begrenzt ist. Im Rahmen des HIPERZAB-Projekts werden diese Probleme überwunden, indem die Materialien, Komponenten und das Systemdesign gezielt optimiert werden . Darüber hinaus streben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen an, die neuen Batterien speziell für die mittelfristige Speicherung von Strom von mehreren Stunden bis Tagen zu optimieren. Ihr Einsatz wäre dann dort möglich, wo bisher noch keine wirtschaftliche Alternative im Energiesystem existiert.

Material und Methodenentwicklung in HIPERZAB

Um diese Ziele zu erreichen werden von den HIPERZAB Partnern drei innovative Komponenten entwickelt: eine negative Elektrode aus einem porösen Zink/3D-Biopolymer, ein Gel-Polymer-Elektrolyt auf Basis natürlicher Biopolymere und eine bi-funktionale positive Elektrode frei von kritischen Materialien, wie Kobalt, Nickel oder Edelmetallen.

Ohne ein fundamentales Verständnis über die Wirkweise der Materialien und Komponenten, wie diese miteinander wechselwirken und welche Eigenschaften über das elektrochemische Verhalten und Langzeitstabilität entscheiden, ist ein Erfolg nur schwer vorstellbar. Deshalb ist ein essentieller Bestandteil des Projekts die Kombination neuartiger Untersuchungsmethoden und Multiskalenmodellierung, um Alterungsmechanismen zu offenbaren und das Wechselspiel zwischen Materialien, Zelldesign, den Betriebsbedingungen und deren Verhalten im Betrieb herauszuarbeiten. Das heißt z.B., welchen Einfluss hat die Zusammensetzung der Luft auf die Langzeitstabilität, wie lassen sich möglichst hohe Speicherdauern erreichen oder welche Materialkombination liefert den besten Kompromiss aus Energiedichte, Effizienz und Zyklenfestigkeit. Die Entwicklungen innerhalb von HIPERZAB werden neben Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen auch durch die Ansätze der Lebenszyklus- und Kreislaufwirtschaft begleitet, um nachhaltige End-of-Life-Optionen für die Geräte zu gewährleisten und den Fußabdruck der Technologie möglichst gering zu halten. Am Ende der 4 Jahre soll eine kleine Demonstratorzelle entstehen.

Rolle des DLR

„Eine der Schlüsselkomponente der Zink-Luft Batterie ist die bi-funktionale Sauerstoffelektrode“ sagt Dr.-Ing. Dennis Kopljar, Gruppenleiter der Batterietechnik und Projektleiter vonseiten des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik. „Um eine funktionierende Batterie zu entwickeln müssen wir genau verstehen, was sich während des Betriebs im Inneren der Elektrode abspielt und was deren Leistungsfähigkeit und Zyklenfestigkeit einschränkt. Dieses Wissen können wir dann nutzen, um diese zielgerichtet weiterzuentwickeln“.

Die Aufgabe des DLR im Projekt ist es, diese Elektroden zu entwickeln, zu testen und mittels verschiedener Methoden umfangreich zu untersuchen. Dabei kann auf die langjährige Erfahrung bei der Herstellung und Untersuchung derartiger Elektroden für verschiedene Anwendungen zurückgegriffen werden. Schließlich gilt es, diesen komplexen Elektrodentyp möglichst gut auf diese anspruchsvolle Aufgabe abzustimmen. So muss diese gleichermaßen gut in der Sauerstoffentwicklung beim Laden sowie in der Sauerstoffreduktion beim Entladen funktionieren: zwei Reaktionen, welche vollkommen unterschiedliche Anforderungen besitzen. Während die mittels KI-basierter Methoden entwickelte Katalysatoren vom Partner geliefert werden, basiert die Herstellmethodik und das Elektrodendesign auf den Arbeiten des DLR. Anschließend werden mittels verschiedener Charakterisierungsmethoden die neu entwickelten Materialien, Komponenten und die Zelle während und nach dem Betrieb untersucht, um zu verstehen, wie die Elektroden kontinuierlich verbessert werden können. Wie überall ist auch hier die Zusammenarbeit zwischen experimentellen Arbeiten und der Modellierung essentiell, um ein besseres Verständnis der Prozesse, welche experimentell nur schwer zugänglich sind, zu erreichen.

„Mit einem immer weiter ansteigenden Anteil erneuerbare Stromquellen in unserem Energiemix, brauchen wir zuverlässige Speichertechnologien, welche Perioden mit wenig Energie aus Sonne und Wind überbrücken, einen geringen CO2-Fußabdruck haben und vor allem wirtschaftlich sind. So eine komplexe Aufgabe kann nur gelingen, wenn wir über Disziplinen und Ländergrenzen hinweg zusammenarbeiten. Mein Team freut sich ungemein in diesem spannenden Projekt mit tollen Partnern auf dieses Ziel hinzuarbeiten“ sagt Dennis Kopljar.

Das Projekt

Das Kick-Off Meeting Projekts fand in der Zentrale des baskischen Forschungszentrum CIC energiGUNE statt, welches die Projektleitung von HIPERZAB innehat.

Förderung durch das European Innovation Council Pathfinder Programm