Nachhaltige Speicher

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Unter dem Projektnamen „INSIDER” haben Wissenschaftler ein Energiespeichersystem entwickelt, dass kostengünstiger und umweltfreundlicher sein soll, als gebräuchliche Lithium- Ionen-Batterien. Die Dual-Ionen- Technologie soll insbesondere bei der stationären Speicherung von Erneuerbaren Energien zum Einsatz kommen.

Zu einer nachhaltigen und erfolgreichen Energiewende gehört bekanntermaßen nicht nur die erneuerbare Energieerzeugung, sondern auch effiziente Speichertechnologie, die den Strom dann bereitstellt, wenn der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint. Im Interesse einer ökologischen Energiewende sollten diese Speicher keine zusätzlichen Umweltbelastungen verursachen, also zum Beispiel möglichst vollständig recyclebar sein – und zudem bezahlbar. Lithium-Ionen-Akkus, die aktuell am häufigsten verbauten Energiespeicher, werden zwar immer kleiner, leichter und effizienter, allerdings sind sie aufgrund der für die Kathoden verwendeten Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan- Oxide recht teuer in der Herstellung und nicht besonders umweltfreundlich. Denn bei der Prozessierung der Materialien zu Elektroden werden typischerweise organische, giftige Lösungsmittel verwendet, die aufwendig und teuer aufgefangen und recycelt werden müssen. Die Tatsache, dass Nickel und Kobalt möglicherweise nicht dauerhaft verfügbar sein werden, kommt erschwerend hinzu.

Herausforderungen: Reversible Einlagerung von Li-Ionen in die negative Graphitelektrode durch Aufbau einer stabilen Grenzschicht und die reversible Einlagerung der Anionen in die positive Graphitelektrode mit hoher Coulomb Effizienz (Abhängig von der oxidativen Stabilität des Elektrolyten). Foto: MEET

Weniger Umweltbelastung

Eine günstigere und vor allem umweltverträglichere Alternative wollen die Forscher des Batterieforschungzentrums MEET in Münster bieten. In dem Verbundprojekt INSIDER, das gemeinsam mit Teams der WWU Münster, des FZ Jülich, der FAU Erlangen und der TU Braunschweig Ende 2016 erfolgreich beendet wurde, haben Wissenschaftler Dual-Ionen-Batteriezellen für die stationäre Energiespeicherung entwickelt, die ohne die Schwermetalle auskommen. Stattdessen besitzt die Batterie zwei Graphitelektroden und einen speziellen Elektrolyten. Während bei einer Lithium-Ionen-Batterie nur die Lithium-Ionen zur Speicherung genutzt werden, werden bei der Dual-Ionen- Technologie sowohl die Lithium-Ionen als auch die Elektrolyt-Anionen jeweils in den Graphit-Elektroden eingelagert.

Die Idee der Dual-Ionen-Technologie ist nicht neu. „Bereits in den 1990er Jahren wurde an einem Dual-Carbon-Batteriesystem geforscht. Allerdings hatte das damalige System eine sehr geringe Zyklenstabilität. Das heißt, der Elektrolyt, der eine hohe Zellspannung aushalten muss, ist nach ein paar Ladezyklen kaputt gegangen”, erklärt Dr. Tobias Placke, Bereichsleiter der Materialforschung am MEET-Batterieforschungszentrum.

Das INSIDER-Team hat die Idee aufgegriffen und sich insbesondere auf die Weiterentwicklung des Elektrolyten konzentriert. „Bei gewöhnlichen Lithium-Ionen-Batterien fungiert der Elektrolyt als Transportmittel für die Lithium-Ionen von der einen zur anderen Elektrode. Bei der Dual-Ionen-Technologie wird der Elektrolyt selbst zum Aktivmaterial“, erklärt Tobias Placke. Das Funktionsprinzip ist dabei recht simpel: „Beim Ladeprozess werden die Lithium-Ionen in die negative Elektrode und die Elektrolyt-Anionen in die positive Graphit-Elektrode eingelagert. Wird die Zelle entladen, werden beide Ionensorten wieder an den Elektrolyten abgegeben“, erklärt Placke. „Also mussten wir die Elektrolytkomponenten, insbesondere das Elektrolytsalz- Anion, soweit optimieren, dass es eine hohe elektrochemische Stabilität hat, also vielen Ladezyklen standhält .“

Hohe Zyklenfestigkeit

Funktionsweise der Dual-Ionen Zelle: Beim Ladeprozess lagern sich die Li-Ionen und Elektrolyt-Anionen in die Graphitelektrode ein. Beim Entladen wandern sie zurück in den Elektrolyten. Foto: MEET

Vier Jahre untersuchte das Forscherteam Materialien für Stromsammler, Elektrolyte, Aktivmaterial und funktionelle Schichten auf ihre Eignung für die Dual-Ionen-Technologie, bewertete Modifizierungs- und Funktionalisierungsverfahren und evaluierte schließlich die gesamte Prozesskette der Elektrodenfertigung zunächst abschnittsweise und anschließend integral im Technikums- und Pilotmaßstab, um eine schnelle Marktverfügbarkeit der Dual-Ionen-Technologie zu erreichen. Mit den Abschlussergebnissen zeigen sich die Forscher zufrieden. Das Dual-Ionen-Speichersystem kann praktisch spezifische Energien von über ≈ 40-70 Wh/kg erreichen und hat eine Zyklenfestigkeit von über 2.000. Zwei Patente wurden im Rahmen des Projekts angemeldet.

Die systemspezifischen Modifizierungsund Funktionalisierungsverfahren zur Herstellung maßgeschneiderter Materialien (etwa für Stromsammler, Elektrolyte und Aktivmaterialien) hat das Team bereits frei zugänglich veröffentlicht. Theoretisch besteht sogar schon eine Infrastruktur für eine günstige Herstellung: So könnten viele Produktionsschritte für die Dual-Ionen- Batterie, wie die Prozessierung der Elektroden, insbesondere der wässrigen Elektrodenpräparation und die Verarbeitung der Elektroden zu elektrochemischen Zellen, aus dem marktreifen Portfolio der Lithium-Ionen-Fertigung adaptiert werden. Dabei braucht es allerdings keine giftigen, organischen Lösungsmittel und fluorierte Binder, sondern beispielsweise Wasser sowie biologische, zum Beispiel Zellulose-basierte Binder. Die Kohlenstoffe für die Elektroden wiederum können aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden, etwa durch thermische Behandlung von biologischen Materialien oder kohlenstoffhaltigen Abfallstoffen.

Geringere Energiedichte unproblematisch

Im Vergleich zu den Alternativen am Markt steht die neue Technologie sogar relativ gut da. Die Selbstentladung sei zwar höher als bei Lithium-Ionen-Batterien, jedoch niedriger als bei Blei-Akkus. „Von der Energiedichte wird die neue Technologie nicht mit einer Li-Ionen-Batterie konkurrieren können. Das war von Anfang an klar. Aber darum ging es uns auch nicht“, erklärt Dr Tobias Placke. „Für die stationäre Speicherung von Erneuerbaren Energien braucht es nicht so hohe Energiedichten wie für die Elektromobilität. Unser Hauptanliegen war, Energiespeicher zu entwickeln, die ausreichend Kapazität haben, um das Stromnetz zu stabilisieren und Lastspitzen zu kompensieren, und gleichzeitig sicher, günstig und umweltfreundlich produziert werden können.“ Hier sei man auf dem richtigen Weg.

Bevor allerdings in naher Zukunft günstige Dual-Ionen-Speicher den Markt erobern können, gilt es noch ein paar Hindernisse aus dem Weg zu schaffen. „Bislang ist die wichtigste Komponente der Technologie – der spezielle Elektrolyt – noch sehr teuer in der Herstellung. Erst bei einer größeren Produktion lohnt sich die Herstellung des Speichers auch finanziell“, räumt Placke ein. „In der Zwischenzeit arbeiten wir aber bereits in Folgeprojekten intensiv daran, den Elektrolyten weiter zu optimieren bzw. noch bessere Elektrolyte zu entwickeln, um die Technologie schnell marktfähig zu machen.“ Interesse am Markt sei in jedem Fall vorhanden.

Kontakt: MEET Batterieforschungszentrum, Dr. Tobias Placke, 48149 Münster, Tel. +49 251 83 36826, tobias.placke@uni-muenster.de

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