ZiLsicher

Zink-Luft-Akkumulator als sicherer elektrochemischer Speicher für emissionsarme und explosionsgeschützte Industriebereiche

Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.01.2019 bis 31.12.2021
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 1.550.558,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

 

Teilprojekt 1

Förderkennzeichen: 03XP0191A

Varta Microbattery GmbH
73479 Ellwangen (Jagst)
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Teilprojekt 2

Betrieb von Laborzellen aus poröser Zinkelektrode mit bifunktionaler Gasdiffusionselektrode und Charakterisierung der Batteriekomponenten

Förderkennzeichen: 03XP0191B

Technische Universität Clausthal – Forschungszentrum Energiespeichertechnologien, Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik
38640 Goslar
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Teilprojekt 3

Förderkennzeichen: 03XP0191C

Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Battery LabFactory Braunschweig
38106 Braunschweig
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Teilprojekt 4

Förderkennzeichen: 03XP0191D

Alantum Europe GmbH
80807 München
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Teilprojekt 5

Förderkennzeichen: 03XP0191E

Eisenhuth GmbH & Co. KG
37520 Osterode am Harz
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Teilprojekt 6

Entwicklung einer neuen Gasdiffusionselektrode mit mikrostrukturierten Oberflächen mittels Ultrakurzpulslaserprozess

Förderkennzeichen: 03XP0191F

Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, Faseroptische Sensorsysteme
38640 Goslar
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Teilprojekt 7

Gasdiffusionselektroden

Förderkennzeichen: 03XP0191G

Covestro Deutschland AG, COV-IO-BC-T &I-PI - Gebäude R17
51373 Leverkusen
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Fördergeber: BMBF, Referat 523

Projektträger: PT-J

Leistungsplansystematik:
KB2220 Li-Ionen-Batterien

Förderprofil:
Technologie- und Innovationsförderung

Förderart:
PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Wieder aufladbare Zink-Luft-Batterien haben das Potenzial, in vielfältigen Anwendungsbereichen als kostengünstige, umweltfreundliche und sichere elektrochemische Energiespeicher zu fungieren. Die nicht aufladbare Zink-Luft-Knopfzelle ist bereits weltweit als Standardbatterie in Hörgeräten etabliert, da sie kostengünstig, umweltverträglich und durch die Nutzung der Umgebungsluft zur Energiewandlung sehr kompakt ist. Die Hauptargumente für die Entwicklung marktfähiger Systeme liegen in der bestehenden Infrastruktur für weltweit etablierte Zink-Luft-Primärzellen, der hohen Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Aktivmaterials Zink und seiner Umweltverträglichkeit. Dazu kommen Sicherheitsaspekte, da Zink-Luft-Batterien mit wässrigen Elektrolyten betrieben werden und ein drastisch verringertes Gefährdungspotenzial gegenüber Lithium-Ionen-Batterien aufweisen.

Während primäre, nicht aufladbare Zink-Luft-Batterien seit langem erfolgreich eingesetzt werden, stellt die Entwicklung sekundärer, wieder aufladbarer Systeme nach wie vor eine große Herausforderung dar. Zu den bisher nicht zufriedenstellend gelösten Problemen gehören unerwünschte geometrische Veränderungen der Zinkelektrode, die bis zur Zerstörung der Batterie führen können, die unzureichende Leistungsfähigkeit und Stabilität der Sauerstoffelektrode sowie die Notwendigkeit zur Erhöhung von Energie- und Leistungsdichte sowie Wirkungsgrad.

Das Projektkonsortium unter der Leitung der Varta Microbattery GmbH deckt die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialbereitstellung bis zur Vermarktung der angestrebten Innovation ab. Im Fokus des Forschungsvorhabens stehen dabei alle wesentlichen Komponenten der Zink-Luft-Batterie: die Zinkelektrode, die Sauerstoffelektrode sowie ein optimierter Aufbau und Betrieb des Gesamtsystems.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Das Forschungs- und Entwicklungskonzept basiert auf dem neuen Ansatz, die wiederholte Aufladbarkeit der Zink-Luft-Batterie durch Bereitstellung einer porösen Elektrodenstruktur sicherzustellen, die mit flüssigem Elektrolyt durchströmt wird. Die Zinkspezies werden in diesem Aufbau aufgelöst und wieder abgeschieden, während die Grundstruktur der Elektrode stabil bleibt. Die Energiedichte der Batterie wird demnach durch die Löslichkeit der Zinkspezies im Elektrolyten bestimmt.

Wie in Vorarbeiten gezeigt wurde, kann die Zinkausnutzung durch Additive bis an die theoretische Kapazität erhöht werden. Eine zusätzliche Erhöhung der Lebensdauer der Batterie wird durch eine gepulste Stromführung bei der Aufladung erreicht, mit der die gefürchtete Bildung von dendritischen Zinkstrukturen vermieden wird. Systematische Untersuchungen der Zinkanode und des Elektrolytzustands sollen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Alterungseffekten und den Betriebsparametern liefern.

Die Sauerstoffelektrode wird als poröse Gasdiffusionselektrode (GDE) mit hoher Reaktionsoberfläche ausgeführt. An dieser Elektrode wird Sauerstoff beim Entladen reduziert und beim Aufladen wieder freigesetzt. Beide Funktionen sollen durch geeignete Elektrokatalysatoren in einer einzigen bifunktionalen GDE realisiert werden, was zu einem kompakten Zellaufbau mit einer hohen Leistungsdichte führt. Zusätzlich wird die GDE durch einen Ultrakurzpulslaserprozess funktionalisiert, um eine vergrößerte Oberfläche, bessere Benetzbarkeit und eine optimale Katalysatorstruktur zu erreichen. Alle hergestellten GDE werden bezüglich ihrer Porenstruktur sowie ihrer elektrokatalytischen Aktivität und Stabilität bewertet.

Die Zink- und Sauerstoffelektroden werden durch einen elektrisch nichtleitenden, aber ionenleitenden Separator voneinander getrennt, während die einzelnen Zellen durch Bipolarplatten miteinander verbunden werden, die auch Strömungskanäle für die zugeführte Luft enthalten. Durch entsprechende Rahmen, Dichtungen und Endplatten entsteht schließlich ein sogenannter Stack, der ähnlich wie eine Brennstoffzelle aufgebaut ist und dessen Leistung durch die zur Verfügung stehende Fläche der Elektroden bestimmt wird.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Das Projekt soll die Grundlagen für die Entwicklung einer leistungsstabilen, sekundären Zink-Luft-Batterie aus hochfunktionalen Einzelkomponenten liefern und das neue Konzept durch Aufbau und Betrieb eines Demonstrators mit 100 Watt Leistung validieren. Diese Leistungsklasse ist für die Übertragung der erlangten Erkenntnisse auf den industriellen Maßstab relevant.

Eine wirtschaftliche Verwertung sehen die Anwendungspartner primär in Industriebereichen, die strengen Emissionsauflagen unterliegen, wie der dezentralen Stromversorgung und der Grundlastdeckung bei Baumaschinen, Schiffen und industriellen Transportsystemen. Aufgrund der systemspezifischen Sicherheitsmerkmale wird zusätzliches Potenzial bei Anwendungen in explosionsgeschützten Industriebereichen gesehen.


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Metall-Luft

Anwendungsfelder

stationär

Förderempfänger

Industrie, Forschungs- und Entwicklungseinrichtung


Schlagworte der Teilprojekte des Verbundprojekts

Teilprojekt 1

Energiespeichertyp

Metall-Luft Zink-Luft

Anwendungsfelder

stationär für Industriebereiche explosionsgeschützt

stationär für Industriebereiche mit strengen Emissionsauflagen

Förderempfänger

Industrie Batteriehersteller

Industrie Zellhersteller

Teilprojekt 2

Energiespeichertyp

Metall-Luft Zink-Luft Verschaltung bipolar

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Anode Metallschaum-Matrix Legierung mit Aluminium

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Anode Metallschaum-Matrix Legierung mit Chrom

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Anode Metallschaum-Matrix Legierung mit Eisen

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Anode Metallschaum-Matrix Kupfer

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Anode beschichtete Metall-Folien bzw. -Gewebe Zink-Kohlenstoff

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Kathode bifunktionale Gasdiffusion oberflächenstrukturiert

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Kathode bifunktionale Gasdiffusion oberflächenaktiviert Katalysator auf Basis von Silber

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Kathode bifunktionale Gasdiffusion oberflächenaktiviert Katalysator auf Basis von Cobaltoxid

Metall-Luft Zink-Luft Elektrolyt alkalisch

Forschungsgegenstand

Zelle

Zelle Bipolarplatte

Zelle Dichtungen

Zelle Elektroden Anode

Zelle Elektroden Anode Additive

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Elektrolyt flüssig

Zelle Gehäuse/ Verpackung

Forschungsbereiche

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Demonstrator Zelle

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elektrode

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Materialentwicklung und -synthese Inaktivmaterial Additive für Elektroden

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Alterung

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Coulomb-Effizienz

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Lebensdauer

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Performance

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Stabilität chemische

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Stabilität elektrochemische

Anwendungsfelder

stationär für Industriebereiche explosionsgeschützt

stationär für Industriebereiche mit strengen Emissionsauflagen

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojekt 3

Energiespeichertyp

Metall-Luft Zink-Luft

Anwendungsfelder

stationär für Industriebereiche explosionsgeschützt

stationär für Industriebereiche mit strengen Emissionsauflagen

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung Universität

Teilprojekt 4

Energiespeichertyp

Metall-Luft Zink-Luft

Anwendungsfelder

stationär für Industriebereiche explosionsgeschützt

stationär für Industriebereiche mit strengen Emissionsauflagen

Förderempfänger

Industrie

Teilprojekt 5

Energiespeichertyp

Metall-Luft Zink-Luft

Anwendungsfelder

stationär für Industriebereiche explosionsgeschützt

stationär für Industriebereiche mit strengen Emissionsauflagen

Förderempfänger

Industrie Zulieferer

Teilprojekt 6

Energiespeichertyp

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Kathode bifunktionale Gasdiffusion oberflächenstrukturiert

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Kathode bifunktionale Gasdiffusion Matrix poröses Titan

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Kathode

Zelle Separator

Zelle Separator Verbund mit Elektrode

Forschungsbereiche

Produktion Gasdiffusionselektrode Oberflächen-Strukturierung Hochleistungsultrakurzpulslaser

Produktion Gasdiffusionselektrode Oberflächen-Strukturierung gasseitig

Produktion Gasdiffusionselektrode Oberflächen-Strukturierung elektrolytseitig

Produktion Gasdiffusionselektrode Oberflächen-Aktivierung Katalysatoren

Produktion Gasdiffusionselektrode Oberflächen-Aktivierung Methode Sputtern

Produktion Gasdiffusionselektrode Beschichtung gaspermeable Membran PTFE

Produktion Gasdiffusionselektrode Beschichtung Methode Aufbringung und Sintern

Produktion Gasdiffusionselektrode Beschichtung Methode Laminieren

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung vereinfachter Aufbau

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Recyclefähigkeit

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Lebensdauer

Anwendungsfelder

stationär für Industriebereiche explosionsgeschützt

stationär für Industriebereiche mit strengen Emissionsauflagen

Förderempfänger

Forschungs- und Entwicklungseinrichtung außeruniversitäre Einrichtung

Teilprojekt 7

Energiespeichertyp

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Kathode bifunktionale Gasdiffusion oberflächenstrukturiert

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Kathode bifunktionale Gasdiffusion oberflächenaktiviert Katalysator auf Basis von Silber

Metall-Luft Zink-Luft Elektroden Kathode bifunktionale Gasdiffusion oberflächenaktiviert Katalysator auf Basis von Cobaltoxid

Forschungsgegenstand

Zelle Elektroden Kathode

Forschungsbereiche

Produktion Testzelle Gasdiffusionselektrode Oberflächenaktivierung Katalysatoren

Produktion Testzelle Gasdiffusionselektrode Oberflächenstrukturierung Ultrakurzpulslaser

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Entwicklung neuer Prozesse

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Lebensdauer

Produktion untersuchte Eigenschaften, Arbeitsfeld Prozessoptimierung Leistungsdichte

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Demonstrator Testzelle

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung Elektrode

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Lebensdauer

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Performance

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung Struktur

Anwendungsfelder

stationär für Industriebereiche explosionsgeschützt

stationär für Industriebereiche mit strengen Emissionsauflagen

Förderempfänger

Industrie chemische Industrie

Verbundprojektleiter

Herr Dr. Martin Krebs

Telefon: +49 7961 921-432
E-Mail: martin.krebs@varta-microbattery.com


Pressekontakt

Frau Sonja Peitl-Steinert
Daimlerstr. 1
73479 Ellwangen (Jagst)
Telefon: +49 7961 921-526
Fax: +49 7961 921-73526
E-Mail: sonja.peitl-steinert@varta-microbattery.com
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