ACTEnglish version
News | 1.8.2017
Dual-Ionen-Batterie

Erneuerbare zwischenspeichern

Umweltfreundlich und kostengünstig sollen sie sein: Neue Materialien für die Dual-Ionen-Technologie stehen im Fokus des Projektes INSIDER.
© MEET
Funktionsweise der Dual-Ionen Zelle: (a) Ladeprozess und (b) Entladeprozess
© MEET

Wie lassen sich mehr erneuerbare Energien einsetzen, die gleichzeitig das Stromnetz stabilisieren? Dafür entwickelten Forscher am Batterieforschungszentrum MEET der Universität Münster ein neues Energiespeichersystem, das auf der Dual-Ionen-Batterietechnologie basiert. Die hohe Lebensdauer ist für stationäre Anwendungen Erfolg versprechend.

Seit mehr als 25 Jahren werden für Lithium-Ionen-Batterien teure, metallhaltige Aktivmaterialien – wie etwa Kobalt, Nickel und Mangan – benötigt. Allerdings sind die Investitionskosten dieser Materialien sehr hoch, was die Speichertechnologie in der Anwendung für großformatige, stationäre Energiespeicher relativ unattraktiv macht. Typischerweise werden für die Kathoden Lithium-Kobalt-Mangan-Oxide eingesetzt, welche insgesamt einen sehr großen Kostenanteil der Lithium-Ionen-Zelle ausmachen.

Auch die Prozessierung der Kathodenmaterialien zu Elektroden, bei der typischerweise organische, giftige Lösungsmittel eingesetzt werden, ist sehr kostenintensiv, da die Lösungsmittel aufgrund ihrer hohen Toxizität aufgefangen und recycelt werden müssen. Darüber hinaus bestehen Sicherheitsbedenken bezüglich der der Toxizität der teilweise eingesetzten Komponenten Kobalt und Nickel sowie der Verwendung von fluorierten Bindern zur Herstellung der Elektroden. Für die langfristig benötigten großen Mengen diskutieren Experten schon länger über die dauerhafte Verfügbarkeit von Nickel und insbesondere Kobalt.

Daher müssen kostengünstige Batteriesysteme für die stationäre Nutzung entwickelt werden. Das untersuchten Forscher des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster im Projekt INSIDER. „Wir haben die grundlegende Idee eines bereits seit den 1990ern bekannten Energiespeichersystems aufgegriffen – der sogenannten Dual-Carbon-Battery – und modifizierten den Systemaufbau auf Basis eines optimierten Elektrolyten sowie weiterer Materialvariationen“, erklärt Dr. Tobias Placke, Bereichsleiter der Materialforschung am MEET Batterieforschungszentrum.

Fundamentaler Unterschied beim Laden und Entladen

Im Zentrum des Verbundprojekts stand die Entwicklung des Dual-Ionen-Batteriesystems. Dabei werden im Gegensatz zur Lithium-Ionen-Batterie nicht nur Lithium-Ionen in die Anode, sondern zusätzlich Anionen des Elektrolyten in die Kathode interkaliert. Beim Ladeprozess werden die Lithium-Ionen in die negative Elektrode und die Elektrolyt-Anionen in die positive Graphit-Elektrode eingelagert. Wird die Zelle entladen, werden beide Ionensorten wieder an den Elektrolyten abgegeben.

Der entscheidende Unterschied zur Lithium-Ionen-Batterie ist also die Funktion des Elektrolyten, erklärt der Chemiker weiter: „Bei der Lithium-Zelle dient er nur als Transportmedium für Lithium-Ionen zwischen beiden Elektrolyten. Bei der Dual-Ionen-Zelle fungiert er hingegen als Aktivmaterial.“

Die hohe Zyklenfestigkeit ist ein weiterer Vorteil des neuen Batteriesystems. Im Labormaßstab konnten bereits mehrere 1.000 Lade- und Entladezyklen der Dual-Ionen-Batterie mit hoher Kapazitätserhaltung realisiert werden. Die Selbstentladung hingegen liegt etwas höher als bei Lithium-Ionen-Akkus, aber ist deutlich besser als bei Bleibatterien. Gute Belastungswerte maßen die Forscher bei der Schnellentladung, dennoch ist der Dual-Ionen- dem Lithium-Ionen-Akku noch unterlegen.

Marktreife und Patentanmeldung

Innerhalb des Projektes untersuchten die Forscher Materialien für Stromsammler, Elektrolyt, Aktivmaterial und funktionelle Schichten auf ihre Eignung für die Dual-Ionen-Technologie. Aber sie bewerteten auch Modifizierungs- und Funktionalisierungsverfahren und evaluierten die gesamte Prozesskette der Elektrodenfertigung. Innerhalb des Insider-Projektes wurden diverse mechanistische Verständnisfragen dieser noch recht jungen Technologie aufgeklärt. In möglichen Folgeprojekten kann die Technologie integral im Technikums- und Pilotmaßstab evaluiert werden, um eine schnelle Marktverfügbarkeit der Dual-Ionen-Batterie zu erreichen. Auch bekunden schon verschiedene Industrieunternehmen ihr Interesse. Zwar seien die verwendeten Elektrolyte als Spezialchemikalien noch relativ teuer, gibt Placke zu, jedoch ließe sich durch weitere Elektrolyt-Optimierungen in Abstimmung mit der Zellchemieder Preis nochmal deutlich senken.

Das Dual-Ionen-Energiespeichersystem hat eine praktisch erreichbare spezifische gravimetrische Energiedichte von ≈ 40 bis 70 Wh/kg und ist besonders attraktiv für stationäre Speicheranwendungen, die insbesondere zur effektiven Zwischenspeicherung erneuerbarer Energien zwingend erforderlich sind. „Wir haben zudem innovative Patente   zur wirtschaftlichen Nutzung der Dual-Ionen-Batterie anmelden können“, ist Placke stolz.

Weitere Informationen zum INSIDER-Projekt gibt in der Projektvisitenkarte auf dieser Webseite.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

29. November 2017
RENEXPO® PV & StromSpeicher

5. Dezember 2017
Intersolar India

24. Januar 2018
6. Batterieforum Deutschland

» Alle Termine

Geförderte Projekte

Projektsuche
» Alle Projekte