Zink-Luft-Batterie - Westfälische Hochschule

Wissen. Was praktisch zählt.
Zink-Luft-Batterie
Autoren: Christopher Betz, B. Sc. / Mareike Freundlieb, M. Sc. / Prof. Dr. Hans-Joachim Lilienhof / Michael Lupczyk, B. Sc. /
Prof. Dr. Michael Schlüter / Prof. Dr. Schröder / Sebastian Seydel, B. Sc
Einleitung
Durch den steigenden Bedarf zur Speicherung elektrischer Energie, entsteht eine steigende Nachfrage an Neu- und Weiterentwicklungen von Batterietechnologien. Aufgrund der hohen Energiedichte
sind Lithium-Batterien ein bevorzugtes Entwicklungsziel. Sie haben im Vergleich mit Zink-Luft-Batterien jedoch Nachteile, wie leichte Brennbarkeit, heftige Reaktion mit Wasser, Gefahr von Kurzschluss
und Brand und schlechte Verfügbarkeit von Lithium. Zink-Luft-Batterien stellen eine Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie dar. In dieser Batterie wird Zinkmetall mit Luftsauerstoff in einem alkalischen
Elektrolyten oxidiert und die dabei freiwerdende Energie elektrochemisch genutzt.
Zink-Luft-Batterie
Aufbau Zink-Luft-Batterie (Primärzellen)
Mit Zink-Luft-Batterien ist es theoretisch möglich, Energiedichten über 400 Wh/kg zu
erreichen. Im Vergleich zu einem Lithium-Ionen Akku ergibt sich eine bis zu dreimal
höhere elektrische Kapazität.
Die Zink-Luft-Batterie besteht aus einer Zinkpulver- oder
Zinkschwamm-Anode. Die Kathode besteht aus porösem
Material, über das Luft-Sauerstoff in die Zelle gelangt. Als
Elektrolyt dient Kalilauge.
Die chemische Reaktion basiert auf der Oxidation vom
Zink. Der Luftsauerstoff gelangt über kleine Löcher, die bis
zum Einsatz der Zelle versiegelt bleiben, in die Zelle. Wird
die Luft in die Zelle geführt, ist die Zelle aktiviert und bereit
zur Stromentnahme.
Kommerziell erhältliche Systeme
Bei allen Vorteilen sind bisher nur wenige Systeme auf
Zink-Luft-Basis erhältlich. Im Wesentlichen sind dies
Knopfzellen, bei denen die hohe Energiedichte benötigt
wird. Wieder aufladbare Systeme sind noch nicht
verfügbar.
Nicht wieder aufladbare
klassische Zink-Luft Batterie
Vorteile von Zink-Luft-Batterien als Sekundärzellen
Reaktionen
Energiedichte: Die zu erwartende Energiedichte der Materialkombination liegt
deutlich über den anderen in Frage kommenden Kombinationen wie Ni/MH oder LiIon. So ergibt sich ein hervorragendes Leistungsgewicht.
• Geringe Selbstentladung: Ohne Sauerstoff kann die chemische Reaktion und damit
die Entladung stark verlangsamt werden.
• Zink wird nicht verbraucht: Der Reaktand Zink kann theoretisch beliebig oft
regeneriert und zum Laden und Entladen verwendet werden und muss somit nicht
ersetzt werden. Der Verschleiß der Zelle findet nur auf mechanischer Ebene statt.
• Kostengünstig: Von den Elementen ist Zink das 24. Häufigste und damit häufiger als
Kupfer und Blei. Entsprechend günstig ist das Material gerade im Vergleich zu
seltenen bzw. schwierig zu fördernden Elementen wie Lithium.
• Betriebssicherheit und Umweltverträglichkeit: Im Aufbau kommt vergleichsweise
unkritische Kalilauge zum Einsatz. Bei Lithium basierten Speichern besteht bei
Kontakt mit Luft(-feuchtigkeit) eine Selbstentzündungsgefahr. Ebenfalls entsteht kein
Wasserstoff.
Verbesserungsziele
von
Zink-Luft-Batterien
als
Beim Entladevorgang in der Zink-Luft-Batterie wird
Zinkmetall mit Luftsauerstoff in einem alkalischen
Elektrolyten oxidiert.
Die Entladung läuft nach folgendem Reaktionsschema ab:
Anode: 2Zn + 8OH-  2Zn(OH)42- + 4eElektrolyt: 2Zn(OH)42- 2ZnO + 2H2O + 4OHKathode: O2 + 2H2O + 4e-  4OHGesamtreaktion: 2Zn + O2 + 2H2O  2ZnO + 2H2O
Beim Ladevorgang wächst auf der Kupferelektrode
elementares Zink auf, gleichzeitig wird bei diesem Vorgang
an der Ladeelektrode Sauerstoff frei, der abgeführt
werden muss.
Anode: 4OH-  O2 + 2H2O + 4eKathode: 2ZnO + 2H2O + 4e-  2Zn + 4OHGesamtreaktion: 2ZnO + 2H2O  2Zn + O2 + 2H2O
Schematische Darstellung der chemischen Reaktion
Versuchsdaten
Sekundärzellen
• Maximaler Wirkungsgrad erhöhen: Der maximale Wirkungsgrad soll verbessert
werden, da dieser im Moment bei 60 % liegt. Im Vergleich hierzu erreichen Blei-Akkus
einen Wirkungsgrad von 80 % und Lösungen mit Lithium-Ionen 95% und mehr.
• Austrocknen verhindern: Durch CO2 Eintrag reagiert der Elektrolyt ab und die Zelle
trocknet aus. Auch geringe oder erhöhte Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft können
den Elektrolyten negativ beeinflussen.
• Dendritenwachstum verringern: Eine beim Laden in Dendriten aufwachsende
Zinkschicht kann unter Umständen einen Kurzschluss der Zelle verursachen.
Beim Vergleich der Eigenschaften verschiedener Batteriearten sieht
man, dass sich die Zink-Luft Batterie durch viele positive Aspekte
auszeichnet. Nickel-Metall- Hydrid Zellen und Lithium-Ionen Zellen
haben eine längere Lebensdauer und kürzere Ladezeiten.
Im Vergleich mit anderen Batterietypen hat die
Zink-Luft Batterie die höchste Energiedichte
ReVolt Systeme bieten hohe Stromdichten. 250 mA/cm _ bei 0,75 V
ergeben 0,188 W/cm_
Stabilität der Luft-Elektrode: Die Ladung einer Zelle mit 200 mA/cm_ zeigt
über eine Betriebsdauer von über 2000h eine gute Stabilität. Die leichte
Streuung lässt sich durch die Sauerstoffbl äschenbildung erklären, durch die
die aktive Fläche verringert wird.
Luftelektrode – Entladung: Eine Zelle mit 100 mA/cm_ wurde bei 2000 h
Betriebsdauer vermessen
Beispielhafte Lade- und Entladevorgang an einer Prototypenzelle
Stand des Projekts und Ausblick
Ziel ist der Einsatz einer Zink-Luft-Sekundär Zelle als Energiespeicher für z.B. Elektroautos oder als Zwischenspeicherung erneuerbarer Energie im Stromnetz. Diese Lösung soll als Alternative zu
lithiumbasierten Lösungen und herkömmlichen Brennstoffzellen dienen. Ähnlich wie bei der Brennstoffzelle soll das System als Flow Zelle aufgebaut sein. Hierbei dient das Zink als Energiespeicher,
welcher allerdings anders als der Wasserstoff bei der Brennstoffzelle, nicht verbraucht wird, sondern wieder aufgeladen werden kann. Die genannten Vorteile, Energiedichte, geringes Gewicht,
geringere Materialkosten, hohe Standfestigkeit und die hohe Anzahl an durchführbaren Lade- und Entladezyklen machen die Zink-Luft-Zelle zu einem erfolgsversprechenden Ansatz. Im kleinen Maßstab
funktioniert die Technologie, mit der sich Sekundär-Zellen auf Zink Luft Basis Laden- und Entladen lassen, und ist technisch umgesetzt. Aktuell wird daran gearbeitet, die gewonnen Erkenntnisse zu
nutzen, um die aufgebauten Zellen zu skalieren. Ein weiterer Ansatzpunkt, an dem gearbeitet wird, um dieses Ziel zu erreichen, ist der Aufbau eines Stack aus mehreren Zellen.
Kontakt
Westfälische Hochschule
Prof. Dr. Hans-Joaachim Lilienhof
Neidenburger Straße 43
45877 Gelsenkirchen
Tel.: 0209-9596-526
Mail: [email protected]
www.w-hs.de
Westfälische Hochschule
University of Applied Sciences
Fachbereich Elektrotechnik und
angewandte Naturwissenschaften