Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Zink-Luft-Batterie auf Basis ionischer Flüssigkeiten für unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)

Die Speicherung elektrischer Energie in wiederaufladbaren Batterien gewinnt immer mehr an Bedeutung u. umfasst ein weites Anwendungsspektrum, wie z. B. in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV).

Das Rückgrat u. gleichzeitig den sensibelsten Teil jeder USV bilden die Energiespeicher. Blei-Säure-Batterien sind bereits seit vielen Jahren im Einsatz und stellen immer noch die vorherrschende Technologie zur Energiespeicherung in USV-Systemen dar. Die Nachteile von Bleibatterien sind ihre geringe Lebensdauer u. eine Entladetiefe von maximal 50 Proz.

Insbesondere im Hinblick auf Einsatz in USV-Anlagen bieten Zink-Luft-Energiespeicher viele Vorteile wie einen potentiell hohen spezifischen Energieinhalt, geringe Kosten für Aktivmaterialien, die für technische Anwendungen hohe Verfügbarkeit von Zink, sicherheitstechnische Vorteile u. ihrer guten Umweltverträglichkeit.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer skalierbaren Zink-Luft-Batterie hoher Energiedichte für USV Anwendungen, die elektrisch wieder aufgeladen werden kann. Im Projektverlauf werden die wesentlichen Kernkomponenten der neuen Zink-Luft-Batterie bearbeitet. Als Zinkelektrode soll eine poröse Elektrode hoher Oberfläche eingesetzt werden. Besonderes Merkmal der zu entwickelnden Zelle stellt die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten u. stark eutektischen Flüssigkeiten als Elektrolyt dar. Ein wichtiges Element der Zink-Luft-Batterie ist die bifunktionelle Sauerstoffelektrode, an der sowohl Sauerstoffreduktion und -entwicklung erfolgen. Die erzielten Resultate werden in einem mehrzelligen Gesamtaufbau kombiniert u. im Zusammenwirken getestet.

Die im Vorhaben zu entwickelnde Zn-Luft-Batterie basiert auf Komponenten, die in idealer Weise von KMU optimiert und gefertigt werden können. Zu nennen sind insbesondere Hersteller von Batteriesystemen sowie Unternehmen, die Systemkomponenten (Zink- und Gasdiffusionselektroden, Stromableiter, Separatoren, ionische u. stark eutektische Flüssigkeiten) liefern.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war die Entwicklung einer skalierbaren Zink-Luft-Batterie hoher Energiedichte für USV Anwendungen. Als Zinkelektrode wurde eine poröse Elektrode hoher Oberfläche eingesetzt. Besonderes Merkmal der zu entwickelnden Zelle stellte die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten und stark eutektischen Flüssigkeiten als Elektrolyt dar. Ein wichtiges Element der aufzubauenden Zink-Luft-Batterie ist die bifunktionelle Sauerstoffelektrode.

Die Machbarkeit dieses technologischen Ansatzes wurde im Projektverlauf mit neu entwickelten Elektrolyten demonstriert, die deutlich günstiger als die in der Literatur beschriebenen ionischen Flüssigkeiten sind. Die entwickelte Technologie erlaubte es, die an Laborzellen gemessenen Leistungsparameter auf eine entsprechende Zellstapelleistung zu übertragen. Einen Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten bildeten Design, Aufbau und Test eines 6-zelligen Zink-Luft-Batterie Funktionsmusters. Die Stromdichten und übertragenen Ladungen konnten in diesem Projekt signifikant gesteigert werden, wenn auch noch nicht in für den Betrieb als USV notwendigen Maßstab.

Die im Vorhaben entwickelte Zn-Luft-Batterie basiert auf Komponenten, die in idealer Weise von KMU optimiert und gefertigt werden können. Als Beispiele seien hier die Herstellung von Elektrolyten auf Basis von IL und DES, die Fertigung von Stromableitern, Zellgehäuse, Grundstrukturen wie Drahtgewebe oder Streckgitter für die bifunktionellen Elektrode sowie die Herstellung von kompletten bifunktionellen Elektroden genannt.

Das im Projektverlauf aufgebaute modulare Zellsystem bildet eine gute Basis für die zukünftige Weiterentwicklung der Zink-Luft Technologie und kann auf weitere Metall-Luft Batteriesysteme wie Eisen-Luft-Zellen und Zink-Luft-Flussbatterien übertragen werden. Für Zn-Luft-Batterien im Leistungsbereich von einigen Kilowatt besteht in den Marktsegmenten stationäre Energiespeicher für PV-Anlagen und unterbrechungsfreie Stromversorgung ein erhebliches Marktpotenzial.