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News | 9.11.2015
Zink-Luft-Akku

Höhere Stromdichte für Zink-Luft-Batterien

Die Abbildung zeigt eine Testzelle zur in-situ-Untersuchung der Zink-Passivierung.
© Technische Universität Clausthal
Segmentierter Kupfer-Stromabnehmer für eine Slurry-Zelle
© Universität Duisburg-Essen
Zink-Partikel vor der Entladung
© Universität Duisburg-Essen
Discharged Zn slurry particle
© Universität Duisburg-Essen

Wiederaufladbare Zink-Luft-Speicher erreichen bislang noch nicht die zufriedenstellenden Lade- und Entladezyklen. Hier setzt das Projekt ZnPLUS an: Forscher erhöhten mithilfe eines veränderten Zink-Slurrys die Stromdichte. Das macht die Batterie wartungsarm und leistungsbeständig – bei gleichzeitig geringeren Kosten.

Zink-Luft-Batterien bieten als stationäre Speicher viele Vorteile. Dazu zählen ein hoher spezifischer Energieinhalt (1.100 Wh/kg) und geringe Kosten für Aktivmaterialien. Zink-Luft-Batterien sind umweltverträglich, da sich die aktiven Materialien Silber (Ag), Zink (Zn) und Kaliumhydroxid (KOH) vollständig recyceln lassen. Zudem sind diese Materialien ungiftig für den Menschen. Zink ist außerdem ausreichend verfügbar und hat sicherheitstechnische Vorteile. Die Technik konkurriert mit Blei-Säure-, der Nickel-Cadmium-Batterien – beide enthalten toxische Materialien. Ein weiterer Konkurrent sind die noch in der Entwicklung befindlichen Redox-Flow-Systeme. Doch das dafür benötigte Vanadium ist knapp.

Bisher konnten die genannten Vorteile bei wiederaufladbaren Zink-Luft-Energiespeichern nicht realisiert werden. Der größte Schwachpunkt der Zink-Luft-Batterien: Sie weisen nicht gleichzeitig eine hohe Kapazität und Zyklenfestigkeit auf. Daher entwickelten Wissenschaftler im Forschungsprojekt ZnPLUS ein aussichtsreiches Konzept für stationäre, wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien zur elektrochemischen Speicherung großer Energiemengen. Das soll beispielsweise für ein effizientes und wirtschaftliches Energiemanagement von Chemieanlagen, für dezentrale Stromversorgungseinheiten und die tertiäre Netzregelung, also Minutenreserve, einsetzbar sein. Laut der Forscher ist ein wettbewerbsfähiges und bis zum Megawatt-Bereich skalierbares Zellendesign entstanden.

Modulares Zell-Design

Mit dem modularen Zell-System ließen sich unterschiedliche Betriebskonzepte einer Zink-Luft-Batterie – wie separate Entladezelle, separate Ladezelle und Betrieb in einer Dreielektrodenanordnung mit austauschbaren Komponenten – charakterisieren. Für den Entlade- und Ladestromabnehmer wurden Werkstoffe ermittelt, die im Entladebetrieb eine hohe Leistungsfähigkeit und im Ladebetrieb geringe Überspannungen und Zinkaufwachsungen aufweisen.
An Zellen mit festen Zink-Elektroden wurden an der Technischen Universität Clausthal umfangreiche Untersuchungen der Passivierungserscheinungen durchgeführt und optimale Betriebsparameter für die Zellentladung gewonnen. Durch den Einsatz von Metallschäumen als Trägerstruktur für das Zink erreichten die Zellen mit festen Zink-Elektroden Leistungsdichten auf dem Niveau der Slurry-Zellen. Ein der Technischen Universität Clausthal entwickeltes stationäres physikalisch-chemisches Modell erklärt grundlegende Mechanismen. Es wird bei der Optimierung des Zelldesigns und der Auswahl der Betriebsbedingungen eingesetzt.

Verbessertes Zink-Slurry

Um die Leistung der bevorzugten Zn-Slurry-Zelle zu steigern, verbesserten die Projektpartner die Slurry-Formulierung. Zunächst entwickelten sie ein Herstellverfahren, womit alle Slurry-Komponenten homogen verarbeitet werden konnten, um dann 120 Slurry-Formulierungen herzustellen und auszuwerten. Ergebnis der Versuchsauswertungen: Es konnten die wesentlichen Parameterzusammenhänge identifiziert sowie mathematische Ersatzmodelle aufgebaut werden. Auf Basis dieser Metamodelle wurde die Slurry-Formulierung optimiert, woraus vielversprechende Formulierungen resultieren, welche sowohl die Stabilität als auch die Entladbarkeit der Zn-Slurry verbessern könnten.

Parallel zu den experimentellen Untersuchungen untersuchten die Wissenschaftler das komplexe Fließverhalten des Zink-Slurrys in den Anoden-Geometrien numerisch und analytisch, um den Zusammenhang zwischen Zellleistung und Strömungsbedingungen aufzuklären und somit optimierte Parameter für die Slurry-Zusammensetzung, Strömungsgeometrien und Betriebsbedingungen zu finden.
Auf Basis einer Technologielandkarte für Energiespeichersysteme wurden ökonomische Kennzahlen zur Wettbewerbsfähigkeit eines Zn-Luft-Energiespeichers definiert. Um den wirtschaftlichen Anforderungen gerecht zu werden, braucht das bevorzugte Zn-Slurry-System eine weitere Optimierung. Eine wichtige Rolle dabei spielt auch die Kostenoptimierung der SVK-Technologie. Dazu wurden schon verschiedene neue Sauerstoffreduktions- und Sauerstoff-Entwicklungskatalysatoren bei der Universität des Saarlandes synthetisiert und im Labormaßstab getestet.

Multizellenmodul im Nachfolgeprojekt geplant

Die zukünftige Entwicklung fokussiert auf die Kostenoptimierung und Langzeitprüfung der ZnPlus Zn-Slurry-Zelle. Ziel ist im Rahmen eines Nachfolgeprojektes ein robustes Multizellenmodul aufzubauen und unter anwendungsnahen Bedingungen zu validieren.  Am Projekt beteiligt sind Covestro Deutschland (ehemals Bayer MaterialScience ), die Grillo-Werke, die Technischen Universität Clausthal, die Universität Duisburg-Essen, das Zentrum für Brennstoffzellen-Technik, die Universität des Saarlandes und die Hochschule Niederrhein. ThyssenKrupp Industrial Solutions trug als assoziierter Partner bei der wirtschaftlichen Bewertung des Systems bei.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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