Zink-Ionen-Technologien

Zink-Ionen-Batterietechnologien (ZIB) erfahren ein zunehmendes Interesse in der Batterieforschung, insbesondere im Anwendungsbereich der stationären Batteriespeicher (SBS). Bekannt sind ZIB-Technologien in Alkali-Mangan-Batterien, die zum Betrieb von verschiedensten Kleinstgeräten genutzt werden und nicht wiederaufladbar sind.

Die Verwendung angepasster Elektrolytsysteme (z.B. mit saurem pH-Wert) ermöglicht eine Wiederaufladbarkeit der ZIB und dadurch eine Nutzung als Batteriespeicher für die Energiewende. Die ZIB auf Basis hochverfügbarer, unkritischer Rohstoffe bietet ein enormes Potential für den stationären Anwendungsbereich als sichere, kostengünstige, robuste und umweltschonende Alternative zu den etablierten Lithium-Ionen-basierten Batterietechnologien.

Am Fraunhofer ISE forschen wir an folgenden Forschungsthemen für die ZIB-Technologie:

• Entwicklung und Charakterisierung von wasserbasierten Elektrolyten mit Additiven und pH-Management für einen langzeitstabilen Betrieb der Batteriezelle.
• Entwicklung und Herstellung von innovativen Batterieelektroden mit hohen Schichtdicken für wasserbasierte Batterietechnologien auf Basis von u.a. Trockenbeschichtungsprozessen.
• Charakterisierung von Batteriezellen mittels elektrochemischer Methoden und post-mortem Untersuchungen im eigenen Charakterisierungslabor.
• Entwicklung, Herstellung und elektrochemische Charakterisierung von Batteriemodul-Prototypen unter Nutzung innovativer Herstellungsmethoden (z.B. 3D-Druck).
• Unterstützung bei der Projektplanung für FuE-Projekte und der Datenerhebung für techno-ökonomische Analysen der Zink-Ionen-Batterietechnologie.

Unsere FuE-Leistungen zum Thema »Zink-Ionen-Technologien« umfassen:

• Entwicklung von wasserbasierten Elektrolytsystemen
• Charakterisierung von Batteriezellen
• Entwicklung und Herstellung von Batterieelektroden
• Entwicklung und Herstellung von Batterie-Prototypen

Für wasserbasierte Batteriezellchemien können wir unsere Erfahrungen hinsichtlich der Elektrolytzusammensetzung und -charakterisierung zur Verfügung stellen. Dies umfasst pH-Thematiken, Additivierung für Anoden- und Kathodenstabilisierung sowohl wie die Vermeidung von Gasbildung durch den Elektrolyten. 

Hierzu steht vielfältiges Prozess- und Charakterisierungsequipment zur Verfügung, z.B. pH-Autotitration, pH-Untersuchungen, Ionen-Leitfähigkeitsmessungen und ICP-OES. 

Für die Charakterisierung von Batteriezellen kann auf verschiedene Experimentalzellenformate auf Basis kommerziell verfügbarer wie auch selbst konstruierter Zellformate für die Evaluation von Parametern je nach Anforderungsprofil zurückgegriffen werden. 

Dazu gehören u.a. in-operando pH-Untersuchung für wasserbasierte Elektrolytkonzepte, umfassende elektrochemische Untersuchungsmethoden (z.B. CCCV-Zyklierung, Cyclovoltammetrie, Impedanzspektroskopie, GITT, Pulsmethoden etc.) und post-mortem Analysen (z.B. XRD, RAMAN, IR, SEM inklusive EDX, Lichtmikroskopie, LIBS, ICP-OES etc.).

Wir haben die Möglichkeit der Herstellung von Batterieelektroden mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung und unterschiedlichen Beschichtungsverfahren in unseren Laboren. Dafür können Nass- und Trockenbeschichtungsverfahren genutzt werden und Parameterstudien an Elektrodenmaterialzusammensetzungen durchgeführt werden. Die Elektroden können mittels geeigneter Charakterisierungsverfahren untersucht werden, u.a. via SEM mit EDX (sowohl Aussicht als auch Querschnitte), Hg-basierte Porositätsmessung, BET-Analysen, Lichtmikroskopie mit Tiefenprofil, Dickenmessung und Feuchtebestimmung.

Für die Entwicklung und Herstellung von Batterie-Prototypen können wir auf umfangreiche Erfahrungen zurückgreifen. Die Kompetenzen reichen von CAD-Modellerstellung, Prototypenherstellung mittels 3D-Druck (Druckformat bis zu 42x30x40 cm) oder mechanischer Fertigung, Batteriemodulfertigung bis hin zur Charakterisierung der Prototypen.