Energiespeicher Forschung: Wie Akkus umweltfreundlicher werden und Rohstoffe sparen

18.12.2023 – Der Markt für Akkus wächst im Zuge der strombasierten Energiewende. Doch es gibt ein Ressourcen-Problem, denn Rohstoffe wie Lithium oder Graphit sind begrenzt. Eine Alternative ohne diese knappen Ressourcen entwickelt nun das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm zusammen mit Partnern. In dem Projekt ORRCABATT stehen wiederaufladbare Zink-Mangandioxid-Batterien für stationäre Anwendungen im Fokus. Der Vorteil dieser Batterietechnologie: Sie benötigt nur die Metalle Mangan und Zink. Die Metalle sind im Vergleich zu Lithium umweltfreundlicher und auch breit verfügbar.

In Zusammenarbeit mit Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Industriepartnern will das ZSW funktionsfähige Batterieprototypen entwickeln und eine Übertragung vom Labormaßstab in eine Fertigung im industriellen Maßstab erarbeiten. Anschließend ist die Erprobung in Feldtests geplant. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Vorhaben über einen Zeitraum von drei Jahren mit einem Budget von 3,3 Millionen Euro.

Umweltfreundlicher und kostengünstiger

Zink-Mangandioxid-Batterien punkten neben den weltweit verfügbaren Rohstoffen Zink und Mangandioxid (Braunstein) auch mit bereits etablierten Recyclingpfaden, berichten die Forschenden. Das habe deutlich geringere negative Umweltauswirkungen im Vergleich zu anderen Batterietypen zur Folge. Der wasserbasierte Elektrolyt in der Batterie garantiere zudem eine hohe Sicherheit – und ist dabei auch noch günstiger: Die Materialkosten für solche Batterien liegen mit 15 bis 50 Euro pro Kilowattstunde um den Faktor zwei bis drei unter den vergleichbaren Werten bei Lithiumionen-Akkus, berichtet das ZSW.

Von der Batterie zum Akku

Zink-Mangandioxid-Batterien sind als nicht-wiederaufladbare Zellen heute der globale Standard und können überall gekauft werden. Als Akkus, also als wiederaufladbare Batterien, sind sie jedoch noch nicht erhältlich. Dies wollen die Projektpartner nun ändern. Dieser neue Batterietyp könnte zukünftig eine kostengünstige und umweltfreundliche Speicherlösung für Erneuerbare Energien wie Solarenergie und Windenergie bieten.

Mit spezifischen Energiedichten von bis zu 400 Wattstunden je Liter beziehungsweise 150 Wattstunden je Kilogramm speicherten Zink-Mangandioxid-Akkus zwar weniger Energie als Lithiumionen-Akkus, berichten die Forschenden, dennoch könne man mit ihnen effizient und kostengünstig Strom speichern. Sie zeichnen sich auch durch ihre äußerst geringe Anfälligkeit für thermische Überhitzung und ihre Nicht-Brennbarkeit aus, was sie besonders sicher für Anwendungen in geschlossenen Räumen macht.

Das ORRCABATT-Projekt

ORRCABATT steht für „Optimised design for rechargeable and recyclable alkaline MnO2 batteries“. Ein wesentlicher Meilenstein des Projekts ist die Entwicklung einer Prototypzelle, die eine Energiedichte von über 100 Wattstunden pro Kilogramm für mehr als 150 Lade-/Entladezyklen erreichen soll.

Zusätzlich ist die Erstellung eines Batteriedemonstrators mit einer Energiekapazität von über einer Kilowattstunde geplant, so das ZSW. Die Arbeiten der Projektpartner konzentrierten sich zudem darauf, die Leistung und Lebensdauer dieser Zink-Mangandioxid-Batterie kontinuierlich weiter zu verbessern. Ziel ist die Herstellung eines skalierbaren Batterieprototyps, der dann in eine industrielle Massenproduktion umgesetzt werden kann.

Erste Prototypen entwickelt

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am ZSW konnten durch den Einsatz innovativer Membrantechnologie und weiterer Systemanpassungen bereits erste wiederaufladbare Zink-Mangandioxid-Batterien mit hohem Energieinhalt entwickeln. Diese ersten Prototypen zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Zyklenstabilität aus, also eine lange Lebensdauer.

Die künftigen Forschungsschwerpunkte im Projekt umfassen die intensive Weiterentwicklung aller Komponenten dieser ersten Generation. Um ein tiefes Verständnis der Einzelkomponenten zu entwickeln, erfolge nun eine umfassende Charakterisierung der Batteriekomponenten auf physikalischer, chemischer und elektrochemischer Ebene, berichtet das Forscherteam.

Ökobilanzierung

Auf der Grundlage von Ökobilanzen werden im Projekt die besten Materialien identifiziert und hierfür maßgeschneiderte Recyclingwege entwickelt. Dieser ganzheitliche Ansatz ermögliche von Anfang an eine umfassende Bewertung der Umweltverträglichkeit und ein maßgeschneidertes Recycling in der Zukunft, berichtet das ZSW. na