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Batterietechnologie in Zeiten der Energiewende

Renaissance der Batterie­technologie

von Prof. Dr. Monika Willert-Porada

Die Bedeutung leistungsstarker, robuster und preiswerter elektrischer ­Speicher sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen ist einer breiten Öffentlichkeit erst durch die gesetzten Klimaziele zur Begrenzung von CO2-Emissionen aus Fahrzeugen und durch die Energiewende hin zu ­regenerativer Energieerzeugung bewusst geworden. Die Batterie oder der ­Akkumulator ist bisher vor allem als Teil der alltäglich genutzten Komfort­technologien ­wahrnehmbar gewesen, beispielsweise als Starterbatterie eines Fahrzeugs, als Stromversorgung von Unterhaltungs­elektronik, Laptop oder Smartphone, nicht jedoch als wesentliche Elemente der dauerhaften Ver­sorgung von Industrie und Gesellschaft mit Energie.

Wir erleben daher derzeit eine Renaissance der Batterieforschung und der Batterieherstellungs- technologie, denn mit derzeit bestehenden Batterietypen – beispielsweise wieder aufladbaren Blei-Säure-Batterien, Ni-Metallhydrid-, Lithium-Ionen- oder Nickel-Cadmium-Batterien – sind die neuen Anforderungen noch nicht kostengünstig und nachhaltig erfüllbar.

Das Prinzip einer Batterie beruht auf einer chemischen Reaktion zwischen sogenannten „Aktivmaterialien“, wobei der eine Stoff Elektronen abgibt – oxidiert wird – und ein anderer Stoff diese Elektronen aufnimmt – reduziert wird [1]. Die Energiedifferenz zwischen den Ausgangsstoffen und den Produkten kann während der Reaktion als elektrischer Strom zur Verrichtung von Arbeit in elektrischen Geräten genutzt werden. Wärme sollte bei der Reaktion – der Ent­ladung einer Batterie – nicht abgegeben werden, vielmehr sollte im Idealfall die gesamte chemi­sche Reaktions­energie als elektrischer Strom zur Verfügung stehen. Eine Wiederaufladbarkeit kann dann erreicht werden, wenn die Entlade­reaktion durch Zufuhr von elektrischer Energie in einem Ladeprozess vollständig umkehrbar ist.

In einem Stromversorgungsnetz, das mit Wind- und Sonnenenergie zyklisch gespeist wird, könnte der nicht unmittelbar verbrauchte „überschüssige“ Strom durch Aufladung von Batterien sicher gespeichert werden, denn die eingesetzten chemischen Verbindungen oder Elemente sind langzeitstabil. Bei Strombedarf könnte dann durch Ermöglichung der chemischen Reaktion die Wandlung chemisch gespeicherter Energie in Elek­trizität erfolgen.

In derzeit diskutierten Energieversorgungsszenarien wird angenommen, dass für einen Übergangszeitraum mit einer ausreichenden Zahl von konventionellen „Grundlast-Kraftwerken“ die Schwankungen des Angebots und Bedarfs an elektrischer Energie durch Netzregulation aufgefangen werden können. Doch sind die langfristigen Kosten und die Sicherheitsanforderungen an eine auf globaler Skala betriebenen stationären Netzinfrastruktur derzeit kaum prognostizierbar, deswegen ist eine zügige und konsequente Entwicklung alternativer Speichertechno­logien für die zukünftige flexible Stromversorgung unerlässlich.

Im Einsatz sind derzeit sowohl Batterien, die nicht wieder aufladbar sind, sogenannte Primärbatterien, als auch solche, die sich mit elektrischer Energie aufladen lassen, Sekundärbatterien. Im Vergleich mit fossilen ­„Energiespeichern“ wie Benzin, aber auch mit synthetischen Brennstoffen wie Wasserstoff ist die spezifische Energiedichte derzeit bekannter Batterie­typen gering, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Batterien für den globalen Einsatz

Ein wesentliches Ziel der derzeitigen Batterieforschung ist es, Batterien mit hoher spezifischer Energiedichte für zukünftige Stromspeicher und einen großflächigen Einsatz zur Sicherung der Stromversorgung nach Prinzipien der Ressourcenschonung und stofflichen Verfügbarkeit zu entwickeln.

Für die Auswahl der Aktivmaterialien und der Herstellungsprozesse sollte entscheidend sein, dass auch bei Massenproduktion keine Verknappung der verwendeten Materialien und kein Wettbewerb gegenüber ­bestehenden Nutzungsarten eintreten können und dass keine toxischen Stoffe eingesetzt werden. Vielversprechend sind daher Metall-Luft-Batterien – ausgehend von häufig vorkommenden und bereits industriell breit genutzten Metallen wie Zink, Natrium oder Aluminium [2].

Historisch ist Zink bereits um das Jahr 1800 in der sogenannten Volta-Säule als Quelle für die Erzeugung von elektrischem Strom eingesetzt worden, wie in Abbildung 2 gezeigt. Die Umkehrung der Reaktion war zwar nicht möglich, doch die einfache Handhabung von Zink führte zur Kommerzialisierung von Zinkprimärbatterien bereits in den 1930er-Jahren [3]. Diese Primärbatterien sind weiter verbessert worden, beispielsweise konnte der zunächst noch übliche Zusatz von Quecksilber aufgegeben werden und die Nutzungsdauer der Batterie ist erheblich verlängert worden. Moderne Zinkprimärbatterien sind heutzutage als „Knopfbatterien“ im Einsatz, beispielsweise in tragbaren Hörgeräten. Deren besonderer Vorteil ist die Kontrollierbarkeit der Oxidation von Zink mit Sauerstoff aus der Luft, der unbegrenzt zur Verfügung steht. Zudem sind die Ausgangsstoffe und die Produkte biologisch unbedenklich und rezyklierbar.

Als Speicherbatterie würde die Zink-Luft-Batterie Vorteile gegenüber anderen Batterietypen bieten, jedoch nur, wenn es gelänge, diese Batterie zu einer elektrisch aufladbaren Sekundärbatterie weiter zu entwickeln. Deren Funktionsprinzip ist in Abbildung 3 dargestellt. Im Vergleich zu bekannten Sekundärbatterietypen, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, würde eine Zink-Luft-Sekundärbatterie auf das Gewicht bezogen bis zu doppelt so viel elektrische Energie liefern, wie in Abbildung 4 gezeigt. Schätzungen zu Folge könnten Zink-Luft-Batterien um den Faktor 4 bis 6 billiger sein als Lithium-Ionen-Batterien, vorausgesetzt, es gelingt, die erheblichen physikalischen und technologischen Unzulänglichkeiten des Zink-Luft-Systems mithilfe neuer Materialien zu überwinden.

Die wichtigsten noch zu lösenden Probleme bei der Wiederauflad­barkeit der Zink-Luft-Batterie betreffen sowohl die Vollständigkeit der Entladung und der Wiederaufladung, die bezogen auf Reaktionen, die in Abbildung 5 gezeigt sind, durch Belegung des Zinkmetalls mit Reaktionsprodukten nicht gegeben ist, als auch die Unterdrückung von Nebenreaktionen des Elektrolyten, die zur Wasserstoffentwicklung und zu Elektrolytverlust führen. Die Rückreaktion des Zinkoxids zu Zinkmetall sollte ohne Verformung der Elektroden und ohne die Gefahr von Kurzschluss zwischen beiden Elektroden erfolgen, was ebenfalls noch nicht gelingt. Zudem sind für die Beschleunigung der Rückreaktion zum metallischen Zink unter Entwicklung von Sauerstoff leistungsfähige Katalysatoren erforderlich, die derzeit ebenfalls noch in Entwicklung befindlich sind.

Aktuelle Batterieforschung an der Uni Bayreuth

Obwohl die bestehenden Schwierigkeiten bei der Entwicklung einer Zink-Luft-Sekundärbatterie nicht grundsätzlicher Natur sind, sind die zu bewältigenden Herausforderungen doch erheblich. Am Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung (Leitung Prof. Dr. M. Willert-Porada) erfolgt seit März 2013 in Kooperation mit Industriepartnern und dem Fh ISC aus Würzburg in einem von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Projekt die Entwicklung von Zink-Luft-Sekundärbatteriekomponenten und neuer Batteriestrukturen. Ziel ist es, neue Materialvarianten für die Zinkelektrode und den Elektrolyten zu entwickeln sowie die Katalyse der Sauerstoffspaltung und -bildung an der Kathode einer Zink-Luft-Sekundärbatterie zu verbessern.

Die beteiligten Institute und Industriepartner bündeln ihre Kompetenzen im Bereich nanoskaliger Beschichtungen, metallischer Compositmaterialien und katalytisch aktiver Gas-Diffusions-Elektroden mit der Verfahrens- und Prozesskompetenz der Zink-Luft-Mikrobatterie mit dem Ziel, für die Zinkanode und die katalytisch aktive Kathode eine hohe Reak­tionsreversibilität bei maximaler Materialnutzung zu erzielen. Strukturveränderung und eine Degradation der Anzahl elektrisch und katalytisch aktiver Transportpfade sollen durch Einsatz neuer Materialien unterbunden werden. Die Eignung der neuen Materialien wird sowohl an den ­Instituten als auch beim Industriepartner untersucht.

Ziel der Anodenentwicklung ist es, die Irreversibilität der bekannten, in Abbildung 5 gezeigten elektrochemischen Prozesse, die auf der Ano­den­seite ablaufen, durch modifizierte Materialien zu beheben. Damit verbunden ist auch die technische und ökonomische Analyse möglicher Herstellungsprozesse, die von den beteiligten Industriepartnern durchgeführt wird. Ziel ist es, ein industriell umsetzbares Konzept für eine Zink-Luft-Sekundärbatterie als Speicherbatterie zu entwickeln. Das Projekt hat zunächst eine Laufzeit von zwei Jahren, um die Umsetzbarkeit für eine praktische Nutzung baldmöglichst beurteilen zu können.

Um eine Systemkompetenz im Bereich netzgebundener Speicher zu entwickeln, erfolgt zeitgleich zum laufenden Zink-Luft-Batterieentwicklungsprojekt im Rahmen der TAO-Initiative (Technologie Allianz Oberfranken) in Kooperation mit der Hochschule Coburg (Prof. Dr.-Ing. M. Rossner) und dem Zentrum für Energietechnik der Uni Bayreuth (ZET) gemeinsam mit einem regionalen Stromversorger und einem Batterieproduzenten die Untersuchung der Eignung eines bekannten Sekundärbatterie­typs – der Blei-Säure-Batterie – als netzstabilisierendem Speicher in einem Quartierspeicher. Der Quartierspeicher ist mit einer großen Photovoltaikanlage vernetzt. Die eingesetzten sehr großen Blei-Batterien sollen das Niederspannungsnetz stabilisieren. Da auch die Blei-Batterie einen wässrigen Elektrolyten hat, sind einige Nebenreaktionen und Degrada­tionsphänomene ähnlich den Prozessen, die in einer zukünftigen Zink-Luft-Sekundärbatterie auftreten können. Daher werden aus den Batteriealterungs- und Batteriedegradationsprozessen, die in diesem Projekt genauer untersucht werden, auch Erkenntnisse für die noch in Entwicklung befindliche Zink-Luft-Batterie hinsichtlich der Betriebsweise in einem netzgebundenen Stromspeichersystem gewonnen.

Die in beiden Projekten benötigten sehr unterschiedlichen Unter­suchungsmethoden fördern die hochschulübergreifende Kooperation der beteiligten Wissenschaftler, binden die regionale Industrie ein, sind für studentische Arbeiten sehr attraktiv und beschleunigen die Entstehung eines regionalen Batterieclusters.

Literatur
[1] Winter. M & Brodd, R.J.,(2004) Chem. Rev., 104, 4245-4269
[2] Cho, J. et al. (2011) Adv. Energy Materials, 1, 34-50
[3] Zhang, X.G., Encyclopedia of electrochemical power sources,
Secondary Batteries – Zinc system, Overview, Elsevier, 2009, 454-468

Foto: © panthermedia | curvabezier