ZilSicher: langes Leben durch Struktur

Die beste Batterie muss nicht immer möglichst leicht und klein sein und dabei besonders viel Energie speichern können. Je nach Anwendung können ganz andere Anforderungen wichtig sein. So gibt es explosionsgeschützte Industriebereiche oder solche mit strengen Emissionsauflagen, wo Batterien mit brennbaren Elektrolyten unerwünscht sind. Das kann etwa auf Schiffen oder in industriellen Transportsystemen der Fall sein. Platz spielt hier oft keine übergeordnete Rolle, sehr wohl aber der Preis.

Das Konsortium im Projekt ZiLsicher zielt darauf, genau diesen Markt mit leistungsstabilen, sekundären Zink-Luft-Batterien erschließen zu können. Im Fokus des Forschungsvorhabens stehen dabei alle wesentlichen Komponenten der Zink-Luft-Batterie: die Zinkelektrode, die Gasdiffusionselektrode für die Sauerstoffreaktionen sowie ein optimierter Aufbau und Betrieb des Gesamtsystems. Das erfordert eine Menge Expertise. Deshalb decken die Konsortialpartner die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialbereitstellung bis zur Vermarktung der angestrebten Innovation ab.

In den bisherigen Ansätzen „atmete“ die Zink-Elektrode beim Be- und Entladen – sie wurde größer und kleiner, was zu Kapazitätsverlusten und einer deutlich verkürzten Lebensdauer führte. Um dem entgegenzuwirken, bekommt sie im Projekt ZiLsicher ein starres, poröses Gerüst, das nicht an den elektrochemischen Reaktionen in der Batterie teilnimmt. Diese Struktur wird mit dem flüssigen Elektrolyten durchströmt. Je nachdem, ob die Batterie ge- oder entladen wird, scheidet sich Zink in dieser Struktur ab oder löst sich wieder auf, während die Grundstruktur und das Volumen der Elektrode stabil bleiben.

An der Gasdiffusionskathode wird Sauerstoff beim Entladen reduziert und beim Aufladen wieder freigesetzt. Um diese Reaktionen zu beschleunigen und somit die Leistung der Batterie zu erhöhen, werden sogenannte Katalysatoren eingesetzt, die selbst an der Reaktion nicht teilnehmen und somit nicht verbraucht werden. Allerdings benötigt man unterschiedliche Katalysatoren, je nachdem, ob man den Sauerstoff reduziert oder oxidiert. Diese Katalysatoren sollen im Projekt nun nicht mehr wie bisher in zwei Schichten aufgebracht, sondern in einer Schicht vereint werden. Damit kann die Elektrode kompakter gebaut werden, was die Leistungsdichte erhöht. Zusätzlich wird die Gasdiffusionselektrode mit speziellen Laserverfahren aufgeraut, um ihre Oberfläche zu vergrößern und eine optimale Verteilung von Elektrolyt und Sauerstoff zu erreichen.

Die verbesserten Elektroden sollen in der Batterie bipolar eingesetzt werden. Solche Aufbauten, die etwa in der Brennstoffzellentechnik verwendet werden, stapeln Einzelzellen direkt aufeinander und schalten diese in Reihe. Dieser Zellenstapel wird meist mit dem englischen Begriff Stack bezeichnet. Ein solcher Aufbau umgeht aufwändiges Zellpackaging und liefert Stackspannungen, die sich aus der Anzahl der gestapelten Einzelzellen ergeben. Die Verbindungstechnik wird stark vereinfacht, da die Elektroden über sogenannte Bipolarplatten verbunden werden, die Strömungskanäle für die zugeführte Luft für jeweils zwei Zellen enthalten. Die Energiedichte auf Zellebene kann direkt ins Batteriesystem übertragen werden und eliminiert den Modulaufbau als Zwischenebene.

Bis zum Projektende soll ein Demonstrator mit 100 Watt Leistung aufgebaut werden, denn mit diesem Leistungsmerkmal können die im Projekt erlangten Erkenntnisse auf den industriellen Maßstab übertragen werden.

Kommentar
Wir respektieren Ihren Datenschutz

Wir setzen Cookies ein um unsere Website für Sie einfacher nutzbar zu machen, Ihre Browsererfahrung zu verbessern, um mit Ihnen über Social Media zu interagieren und um relevante Werbebotschaften zu zeigen, die auf Ihre Interessen zugeschnitten sind. Außerdem messen wir, wieviele Besucher uns täglich besuchen. Klicken Sie auf "Akzeptieren", um die Cookies zu akzeptieren oder wollen Sie mehr erfahren?

Akzeptieren