Zink-Ionen-BAtterien mit modifizierten GrenzfläChen an Elektroden und EleKtrolyt

Der wachsende Bedarf an stationären Batteriespeichern für die Energiewende erfordert sichere, nachhaltige Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien. Im Verbundprojekt »ZACK« entwickeln GRILLO, Freudenberg, Dr. Hesse, Fraunhofer ISE, Universität Stuttgart und das DECHEMA-Forschungsinstitut Zink-Ionen-Batterien mit wasserbasierten Elektrolyten für stationäre Energiespeicher. Durch nachhaltige, in der EU verfügbare Rohstoffe und innovative Ansätze aus der Galvanikindustrie, entsteht eine leistungsfähige, sichere Speicherlösung für Heimspeicher, Regelenergie und kontinuierliche Stromversorgung.

Ausgangslage

Etwa 95 % der installierten Heimspeicher verwenden Lithium-Ionen-Batterien. Deren starke Verbreitung geht mit sicherheitskritischen Schadensereignissen und geopolitischen Abhängigkeiten von Lieferanten und kritischen Rohstoffen wie Lithium und Cobalt einher, die teils unter problematischen Bedingungen gewonnen werden. Zink-Ionen-Batterien (ZIB) mit wasserbasierten Elektrolyten bieten eine nachhaltige Alternative, stehen jedoch vor technischen Herausforderungen: Korrosion und Dendritenwachstum an der Zinkanode, begrenzte Zyklenstabilität sowie pH-bedingte Degradation verkürzen die Lebensdauer. Eine flächendeckende Lösungsstrategie konnte bislang nicht entwickelt werden – innovative Ansätze zur Stabilisierung der Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen sind erforderlich.

Ziel

»ZACK« entwickelt eine wettbewerbsfähige Zink-Ionen-Batterie als sichere und nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Speichern für stationäre Anwendungen. Im Zentrum steht die Stabilisierung der Zellchemie ausgehend von Zinkanode, Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche und Separator, um Zyklenzahl und Lebensdauer deutlich zu erhöhen. Zwei komplementäre Kathodenplattformen adressieren unterschiedliche Einsatzfelder: Mangandioxid für hohe Kapazität und Preußisch-Blau-Analoga für hohe Zellspannung. Angestrebt wird ein anwendungsnaher Prototyp (TRL 4-5) mit über 10 Ah, mehr als 65 Wh/kg und über 500 Zyklen sowie Materialkosten unter 50 €/kWh – ausschließlich auf Basis in der EU verfügbarer Rohstoffe.

Lösungsansatz

Das interdisziplinäre Konsortium bearbeitet die gesamte Kette von Material über Komponente bis zur Zelle in eng verzahnten Iterationsschleifen. GRILLO entwickelt korrosionsstabile Zinkanoden, Dr. Hesse überträgt bewährte Prinzipien der Galvanotechnik auf das Elektrolytdesign, Freudenberg funktionalisiert Separatoren und das DECHEMA-Forschungsinstitut synthetisiert leistungsfähige MnO₂-Kathodenmaterialien. Das Fraunhofer ISE entwickelt Gel- und Water-in-Salt-Elektrolyte sowie PBA-Kathoden, führt operando-Zelltests (u. a. pH-Messungen) durch und baut die Multilayer-Prototypen inklusive Sicherheits- und Kostenanalysen auf. Die Universität Stuttgart begleitet die Entwicklung unter anderem mit physikalischer Modellierung zur gezielten Auslegung von Elektrolyt und Zelle.

• GRILLO Zinc Powder GmbH, Goslar
• Freudenberg Performance Materials GmbH & Co. KG, Weinheim
• Dr. Hesse GmbH & CIE KG, Bielefeld
• Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Freiburg
  
• Universität Stuttgart - Institut für Photovoltaik (ipv), Stuttgart
• DECHEMA Forschungsinstitut, Bad Homburg

Assoziiert:

• acp systems AG, Zimmern o.R.
  
• Helmut Hechinger GmbH & Co. KG, Villingen-Schwenningen

Das Projekt »ZACK«  wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWE) gefördert.