Fraunhofer: Nachhaltige Zink-Ionen-Batterien für die schnelle industrielle Umsetzung

Um die Energiewende voranzutreiben, bedarf es stationärer Energiespeicher, um das öffentliche Stromnetz bei Lastspitzen zu entlasten. Zink-Ionen-Batterien könnten nun die Antwort auf diesen Anwendungsbereich sein. Bisher gab es keinen kommerziellen Erfolg, doch das Fraunhofer-Institut forscht momentan im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojekt „Wässrige Zink-Ionen-Batterien ZIB“ an einer industriellen Umsetzung. Ziel soll die Verwendung von unkritischen, günstigen Materialien sein, die gleichzeitig einen höheren Wirkungsgrad und eine längere Lebensdauer gewährleisten sowie eine Anwendung industrieller Zelldesigns ermöglichen.

Wässrige Zink-Ionen-Batterien (ZIB) als grüne Energiespeichertechnologie

Diese Batterietechnologie gilt meist als grüne Energiespeicherinnovation, da ihre Zellchemie aus ausreichend verfügbarem Zink besteht. Zudem gelten Zink-Ionen-Batterien als sicher, umweltfreundlich, wirtschaftlich und brandsicher, weil Wasser ein wesentlicher Bestandteil der Zelle ist. Obschon die ZIB-Technologie weit fortgeschritten ist, konnte sie sich bisher nicht gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) für größere Anwendungen durchsetzen. Durch die größere Nachfrage nach nachhaltigen Speichern scheint diese Alternative jedoch mehr und mehr anerkannt zu werden. Die marktreife Entwicklung der ZIB-Technologie sollte im Zuge einer höheren Nachfrage an Energiespeichern, zunehmender Ressourcenknappheit und dem Streben nach umweltfreundlichen sowie nachhaltigen Lösungen Fahrt aufnehmen. Die Zink-Ionen-Batterien gelten im Bereich der stationären Speicher als gute Alternative zur vorherrschenden LIB-Technologie.

ZiB-Technologie steht vor Herausforderungen

Obwohl die Zink-Ionen-Technologie für eine nachhaltige und umweltfreundliche Energiespeicherung essenziell ist, steht die Technologie vor einigen Herausforderungen. Die ZIB-Konzepte bestehen aus einer positiven Elektrode mit vielen möglichen Materialen (Manganoxiden, Vanadiumoxiden oder PBA) und einer negativen Elektrode aus metallischem Zink. Zudem wird Wasser als Elektrolyt verwendet, um die Sicherheit des ZIB-Systems zu erhöhen. Vor allem der Aspekt der Sicherheit ist neben Kosteneffizienz, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit besonders wichtig, bei der Wahl des richtigen Batteriespeichers für stationäre Anwendungsbereiche. Im Gegensatz zur Lithium-Ionen-Technologie erfüllen ZIB-Systeme gänzlich diese Anforderungen.

Nichtsdestotrotz war die kurze Lebensdauer von 300 Zyklen ein großer Nachteil der PBA-Struktur. Doch die Projektpartner des ZIB2-Konsortiums konnten die Lebensdauer der PBA-basierten ZIB auf 800 Zyklen steigern. Um die Zyklusdauer und Effizienz der Zink-Ionen-Batterie weiter zu optimieren, forschen die Projektpartner mit neuartigen Materialien für die Anode und die Kathode. Darüber hinaus stellt man auch neue Elektrolytkombinationen her und erforscht Alterungsprozesse an den Elektroden.

Zink-Ionen-Batterien bieten zahlreich Vorteile

Anders als die herkömmliche LIB-Technologie bieten Zink-Ionen-Systeme dank ihrer Zusammensetzung viele Vorteile. Sie sind umweltfreundlich und kostengünstig; sie verwenden wässrige, ungiftige Elektrolyte und Materialien und gewährleisten eine hohe spezifische Leistung, die für Stromnetzanwender wichtig ist. Zudem ist Zink gut verfügbar, sodass keine knappen Ressourcen genutzt werden müssen. Außerdem zeichnet sich das PBA-Kathodenmaterial durch einen niedrigen Energieverlust aus und ermöglicht ein schnelles Laden und Entladen. Dies ist besonders wichtig, wenn es um die Anwendung von stationären Energiespeicher geht. Denn oft muss schnell auf mögliche Lastenspitzen im Stromnetz reagiert werden, um Stromausfälle abzufangen. Auch im Hinblick auf eine schnelle Kommerzialisierung und die Produktion größerer Mengen bietet das PBA-Kathodenmaterial seine Vorteile. Es bietet eine einfache, skalierbare und günstige Synthese.

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