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News | 31.7.2013
Hohe Zyklenfestigkeit

Forscher entwickeln Dual-Ionen-Batterie

Umweltfreundlich und kostengünstig sollen sie sein: Neue Materialien für die Dual-Ionen-Technologie stehen im Fokus des Projektes INSIDER.
© MEET

Wissenschaftler am Batterieforschungszentrum MEET der Universität Münster arbeiten an einem neuen Energiespeichersystem, das auf der Dual-Ionen-Batterietechnologie basiert. Dieses System soll in stationären Anlagen zur Zwischenspeicherung von erneuerbaren Energien zum Einsatz kommen und das Stromnetz stabilisieren.

Unter dem Projektnamen „INSIDER“ arbeiten Wissenschaftler an einer Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie. INSIDER steht für Anionen-Interkalation basierende Dual-Ionen-Energiespeicher. Der Name gibt einen ersten Hinweis auf das Speicherprinzip: Im Gegensatz zur Lithium-Ionen Batterie, bei der nur eine Sorte an Ionen, nämlich Lithium Ionen, am Speicherprozess beteiligt sind, partizipieren bei der Dual-Ionen Batterie zusätzlich die Elektrolyt-Anionen am Energiespeicher-Mechanismus. Während in der Lithium-Ionen-Zelle die Lithium-Ionen zwischen der Anode und Kathode durch Lade- und Entladeprozesse hin- und hergeschoben werden, weist die Dual-Ionen-Zelle einen fundamentalen Unterschied im Lade- und Entlademechanismus auf. Hier werden während des Ladeprozesses die Lithium-Ionen in die negative Elektrode und die Elektrolyt-Anionen, wie beispielsweise Bis(trifluoromethansulfonyl)imid (TFSI ̄), in die positive Graphit-Elektrode eingelagert. Beim Entladeprozess werden beide Ionensorten wieder an den Elektrolyten abgegeben. Der entscheidende Unterschied zwischen den Batterietypen ist somit die Funktion des Elektrolyten, der im Fall der Lithium-Zelle nur als Transportmedium für Lithium-Ionen zwischen beiden Elektroden fungiert, im Fall der Dual-Ionen-Zelle jedoch als Aktivmaterial angesehen werden kann. Wird metallisches Lithium als Anodenmaterial eingesetzt, sind Entladespannungen von bis zu 5,3 Volt möglich. Zum Vergleich: Lithium-Ionen-Batterien haben 3,6 Volt.

Übergeordnetes Ziel des Vorhabens ist es, neue, kostengünstige und umweltfreundliche Materialien für die Dual-Ionen-Technologie zu finden und gleichzeitig deren Verarbeitungsmöglichkeiten im Zellherstellungsprozess zu analysieren. Auf diese Weise wollen die Wissenschaftler sicherstellen, dass eine schnelle Einführung der neuen Technologie inklusive der neuen Materialkonzepte in die industrielle Praxis möglich ist.

Eigenschaften der Dual-Ionen-Technologie

Gegenüber der Lithium-Ionen-Batterie weisen Dual-Ionen-Batterien einige Vorteile auf. So kann auf den Einsatz umweltschädlicher, teurer und schwerer Übergangsmetalle wie Nickel, Kobalt oder Mangan verzichtet werden. Stattdessen dienen Graphite als Kathodenmaterialien. Noch betreiben die Wissenschaftler Grundlagenforschung. Die Laborzellen erreichen derzeit etwa die halbe Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus. Der Projektleiter vom Batterieforschungszentrum MEET, Dr. Hinrich-Wilhelm Meyer, zeigt sich zuversichtlich: „Wir testen fortlaufend alternative Elektrolytformulierungen. Mit einem aktuell untersuchten System erreichen wir die Energiedichte von Lithium-Ionen-Systemen.“
Als primäre Einsatzgebiete sieht Meyer stationäre Großspeicher etwa für die Stabilisierung von Versorgungsnetzen, aber auch für elektromobile Anwendungen haben die Akkumulatoren interessante Eigenschaften. Die Frage, ob auch Akkus für Geräte, sogenannte  Powertools, möglich sind, beantwortet er vorsichtig. Diese seien zwar realisierbar, aber solche Anwendungen stehen noch nicht im Fokus der Forscher.

Als besonderen Vorteil der Technik stellt der Projektleiter die hohe Zyklenfestigkeit heraus: „Unsere Dual-Ionen-Systeme sind die einzigen Akkumulatoren, die nach 500 Lade-Entladezyklen noch 99 Prozent der ursprünglichen Kapazität aufweisen.“ Mit jedem Ladezyklus sinkt die Speicherfähigkeit von Batterien. Im mobilen Bereich werden Akkumulatoren in der Regel ersetzt, wenn die Speicherfähigkeit der Batterie auf 80 Prozent der Ausgangskapazität gesunken ist. Bei gebräuchlichen Systemen ist dies oftmals schon nach 500 Ladezyklen der Fall.
Die Selbstentladung ist etwas höher als bei Lithium-Ionen-Akkus, aber deutlich besser als bei Bleibatterien. Für die vorgesehenen Einsatzzwecke mit hohen Zyklenzahlen in kurzer Zeit ist sie vernachlässigbar. Bei der Schnellentladung zeigt die Dual-Ionen Batterie im Belastungstest gute Werte, ist dem Lithium-Ionen-Akku aber unterlegen.

Perspektiven

„Unser Ziel ist ein preiswertes und gleichzeitig umweltfreundliches System mit hoher Leistungsfähigkeit“, erläutert der Projektleiter weiter. Teure Übergangsmetalle werden durch vergleichsweise preiswerte Graphite ersetzt. Noch seien die verwendeten Elektrolyte als Spezialchemikalien teuer, der Preis sinke aber bei Massenfertigung auf das übliche Maß. In der Summe würden Dual-Ionen-Akkumulatoren kostengünstiger als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ist Meyer zuversichtlich. Verschiedene Industrieunternehmen zeigen bereits Interesse.

Bis 2016 arbeiten die Wissenschaftler des Batterieforschungszentrums MEET – Institut für Physikalische Chemie sowie das Institut für Anorganische und Analytische Chemie der WWU Münster am Projekt. Außerdem sind Arbeitsgruppen des FZ Jülich, der FAU Erlangen und der TU Braunschweig am Projekt beteiligt. Das Projekt INSIDER wird vom Bundesforschungsministerium innerhalb der Förderinitiative mit rund 5,5 Millionen Euro gefördert.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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