Die aktuellen Herausforderungen der Forschung an stationären Batteriespeichern liegen im Spannungsfeld der Sicherheit, der Langlebigkeit, der Investitionskosten und der anwendungsspezifischen Speicherkosten (Levelized Cost of Energy Storage, kurz LCOS), der Rohstoffverfügbarkeit sowie der Umwelt- und Sozialverträglichkeit im gesamten Produkt-Lebenszyklus. »Das Forschungsvorhaben INFAB setzt dabei auf die leistungsfähige Zink-Ionen-Batterietechnologie. Sie sticht hervor durch die Einfachheit des Systemaufbaus bei gleichzeitig hoher Sicherheit, ungiftigen Batteriebestandteilen sowie der Möglichkeit eines umwelt- und sozialverträglichen Rohstoffabbaus innerhalb der EU. Zudem bietet die Technologie das Potential für geringe Kosten pro Kilowattstunde«, erklärt Projektleiter Harald Gentischer.

Die INFAB-Projektpartner entwickelten eine innovative Zellchemie mit wasserbasierten Elektrolyten, die die Basis für die Architektur eines stationären Zink-Ionen-Batteriesystems darstellte. Die Modellierung der Zink-Ionen-Batteriezelltechnologie übernahm die Universität Stuttgart. Dabei setzte das Projektteam auf einen modularen, universellen Modulaufbau mit einer bipolaren Verschaltung, der eine einfache Disassemblierung für das spätere Recycling erlaubt. Eine Neuheit sind, die vom Fraunhofer ISE im Projekt entwickelten porösen Elektrodenstrukturen auf Basis eines Trockenbeschichtungsprozesses, der hohe Beschichtungsdicken im Millimeter-Maßstab erlaubt. »Im Gegensatz zum aktuellen Stand der Technik, der in einer Nassbeschichtung auf Lösemittelbasis besteht, kann hier auf die aufwändige und energieintensive Trocknung verzichtet werden«, so Harald Gentischer.

Der Projektpartner acp systems AG entwickelte die neuartigen Batteriezellen und -module und die Fertigungstechnologie für die Zink-Ionen-Batteriemodule. Die Helmut Hechinger GmbH übernahm die Produktionsplanung und die Entwicklung des Batteriemanagementsystems.

Die Batteriezell- und Stackprototypen für stationäre Stromspeicheranwendungen in der 48-V-Spannungsebene konnten am Ende des Projekts erfolgreich gebaut und charakterisiert werden. »Wir konnten ein hohes Kostenreduktionspotential gegenüber den Konkurrenztechnologien, vor allem der Lithium-Ionen-Batterie mit LFP-Kathoden, nachweisen. Herausforderungen bestehen noch hinsichtlich der Energiedichte und der Langzeitstabilität der Zink-Ionen-Batterien«, so Dr.-Ing. Oliver Fitz, Gruppenleiter Batteriezelltechnologie am Fraunhofer ISE.

In Folgeprojekten plant das Konsortium weitere Forschung an wasserbasierten und organischen Zellchemien für Zink-Ionen-Batterien und Natrium-Ionen-Batterien.