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
Projektpartner Teilprojekte auf Karte zeigen
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 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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