Was bisher geschah

ZLSM2 – Prototyp

Quantensensor

Das Projekt zielt darauf ab, die Zink-Luft Technologie für den Einsatz als stationärer Batteriespeicher weiterzuentwickeln. Dabei sollen ökologische und ökonomische Aspekte berücksichtigt werden, um eine nachhaltige und marktfähige Lösung zu schaffen. Die Fachhochschule Münster übernimmt die Konsortialführerschaft und fokussiert sich auf die Entwicklung der neuartigen Zelldiagnostik sowie des Batteriemanagementsystems. Das Unternehmen für Kunststofftechnik Lüttgens bringt seine Expertise in der Fertigungstechnik ein, während die 3e Batteriesysteme GmbH innovative Ideen und Vermarktungsmöglichkeiten einbringt.

Zielsetzungen:

• Verbesserung der Zink-Luft Technologie hinsichtlich Leistung, Effizienz und Sicherheit


• Entwicklung eines optimierten Batteriemanagementsystems für den stationären Einsatz


• Optimierung des Zelldesigns für eine verbesserte Recyclingfähigkeit und maschinelle Montage


• Entwicklung eines integrierten Schaltkreises für das Batteriemanagementsystem


• Konstruktion und Aufbau eines funktionierenden Batteriespeichers


• Durchführung eines Feldtests zur Validierung des Batteriesystems unter realen Bedingungen


• Durchführung einer umfassenden Wirtschaftsanalyse zur Bewertung der ökonomischen Vorteile und der Amortisationszeit des Batteriespeichers

Derzeit wird die Zelle aus 3 Baugruppen (Anoden / Inngehäuse / Außengehäuse) montiert, die zuvor in drei gesonderten Fertigungsprozessen hergestellt werden. Alle Abläufe sind manuell und in dieser Form nicht oder nur sehr aufwendig automatisierbar. Im Rahmen dieses Projekt wird der Fertigung der Zelle in einem einzigen fortlaufenden Prozess vom Innenkern (Anode) bis zum Außengehäuse in Sandwichbauweise umgestellt. Die dabei verwendeten Verfahren und Handlungsabläufe werden so gestaltet, dass diese automatisiert abgewickelt werden können. So wird beispielweise die Klebtechnik zur Einfügung der GDE in das Außengehäuse mit Kleberobotern durchgeführt. Die Einbringung der Anoden in die Seperatorfolien wird mit Schweißtechniken aus der Verpackungsindustrie umgesetzt. Durch spiegelbildliche Ausgestaltung der Stromableitung der GDEs kann erreicht werden, dass die bisherige Anzahl der Zell-Pole (und damit Verbindungen zur BMS-Platine) von 5 auf 3 reduziert werden. Zudem wird eine Mithilfe der neuartigen Zelldiagnostik soll ein neues Zelldesign entwickelt werden, welches eine höhere Lebensdauer hat und bereit ist für die Serienproduktion der Zink-Luft Batteriezellen. Ein weiter Schwerpunkt des Projekts liegt auch auf der Entwicklung einer IC-basierten BMS-Systems für die Drei Elektroden Technologie. Durch den Einsatz des IC-basierten BMS wird nicht nur eine verbesserte Leistung und Effizienz erreicht, sondern es ermöglicht auch Kosteneinsparungen. Ein weiterer Aspekt ist das Recycling von Batterien. Hierzu soll der grundsätzliche Vorteil der Zink-Technologie gegenüber der Lithium-Technologie genutzt werden. Zink kann sowohl thermisch als auch elektrochemisch im Recyclingkreislauf wieder als reines Metall gewonnen und im Herstellungsprozess neuer Zellen eingesetzt werden. Im geplanten Projekt sollen dazu defekte Zelle zunächst in einen mechanischen Schritt (Schredder) aufgetrennt werden. Diese Schreddermaterial wird mit einer alkalischen Lösung gespült, wobei das enthaltene Zinkoxid in Lösung geht. Alle anderen Materialen bleiben im Feststoff. Durch Elektrolyse wird anschließend das Zink in reiner Form aus der Elektrode abgeschieden und kann an zinkverarbeitende Firmen (beispielweise Grillo) verkauft werden. Der alkalische Elektrolyt wird, falls notwendig, aufkonzentriert und geht wieder in den o.g. Lösungsprozess. Der Rest-Feststoff aus dem Lösungsbecken enthält, neben Kunststoffen, noch die Stromableitermaterialien Kupfer und Nickel. Die Trennung von Kupfer und Nickel aus Kunststoffen ist Stand der Technik und wird in vielen Aufbereitungsanlagen bereits durchgeführt. Entsprechend kann der o.g. Rest-Feststoff in bestehenden Anlagen als Dienstleistung getrennt werden. Die zurück erhaltenen Metalle Kupfer und Nickel können über standardisierte Recylingkanäle verkauft werden. Der übrigbleibende Kunststoff kann entweder thermisch entsorgt werden oder in bestehende Anlagen weiter aufgetrennt werden. Um die Zyklenzahl des Batteriespeicher weiter zu erhöhen, sollen unterschiedliche Lade-/Entladeprofile wie Puls-Charging (PC), Constant-Current (CC) oder Constant-Voltage (CV) genutzt werden um die Bildung von Dendriten zu verhindern. Dazu müssen fortschrittlichere Ladeschaltungen entwickelt werden die an das BMS sowie die Zellelektronik angepasst sind. Um eine Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen Batteriespeichern zu erreichen, wird der Aufbau des Speichers im Vergleich zu bisherigen Modellen vereinfacht und modular gestaltet. Dadurch wird es ermöglicht,  Batteriezellen bzw. Batteriestacks einfacher auszutauschen und die Langlebigkeit des Speichers zu erhöhen. Durch diese Maßnahmen wird ein nachhaltiger Betrieb des Batteriespeichers gewährleistet.

Das Projekt zur Entwicklung einer kostengünstigen und langlebigen Zink-Luft Batterie umfasst insgesamt zehn Arbeitspakete (AP), die eng miteinander verknüpft sind. Die parallele Durchführung von APs ermöglicht es jedoch auch schon früh im Projekt Daten für die Optimierung der Zink-Luft Zelle zu generieren.

In AP1 wird die Fertigung von Zink-Luft Batterien mit alten Zelldesign durchgeführt und umfangreiche Tests durchgeführt, um die Leistung und Zuverlässigkeit der Batterie zu optimieren. AP2 ist für die Entwicklung einer hochauflösenden Zelldiagnostik zuständig, die es ermöglicht, den Zustand der Batterie genau zu überwachen und ihre Schwachstellen aufzudecken um die Lebensdauer zu verlängern. Mit den gewonnenen Ergebnissen aus AP1 und AP2 wird das neue Zelldesign in AP3 entwickelt, wobei besonderes Augenmerk auf die Serienfertigung und die Montagefähigkeit gelegt wird. Das Ziel ist es, die Anzahl der Einzelteile zu reduzieren und eine leicht automatisierte Montage zu ermöglichen.

AP5 widmet sich dem Recycling von Batterien, um sicherzustellen, dass das Projekt nachhaltig ist. Hier wird die Zinkpaste aufbereitet und die Kupferanode wiederverwendet. Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse des stationären Zink-Luft Batteriespeichers wird in AP6 durchgeführt, um sicherzustellen, dass der Batteriespeicher wirtschaftlich ist und konkurrenzfähig zu anderen Batteriespeichern auf dem Markt ist.

AP7 ist für die Optimierung des Batteriemanagementsystems (BMS) verantwortlich, um sicherzustellen, dass der Batteriespeicher effizient arbeitet und die maximale Leistung erzielt wird. In AP4 wird ein integrierter Schaltkreis (IC) für das Batteriemanagementsystem (BMS) entwickelt, der die Elektronik für die Zelle klein und kostengünstig macht und die gesamte Batteriespeicherung günstiger macht.

In AP8 wird das neue Design und der Aufbau des Batteriespeichers mit den neu entwickelten Zelldesign aus AP3 durchgeführt, wobei ein modularer Aufbau verwendet wird, der es ermöglicht, einzelne Stacks einfacher auszutauschen und die Langlebigkeit des Gesamtspeichers zu erhöhen. AP9 ist für den Feldtest des Batteriespeichers verantwortlich, um die Leistung in einer realen Umgebung zu überprüfen. Schließlich ist AP10 für das Projektmanagement zuständig, um sicherzustellen, dass das Projekt effektiv und effizient durchgeführt wird und alle Ziele erreicht werden.

Insgesamt ergänzen sich die Arbeitspakete, um eine effektive und umfassende Entwicklung der Zink-Luft Batterie und des dazugehörigen Batteriespeichers zu gewährleisten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Weiterentwicklung der Zink-Luft Technologie hin zu einem marktfähigen und sicheren stationären Batteriespeicher einen bedeutsamen Beitrag zu einer zukünftig sicheren, wirtschaftlichen und klimaneutralen Energieversorgung leisten kann. Die umweltfreundlichen Eigenschaften, die hohe Energiedichte, die verbesserte Sicherheit und die potenzielle Kosteneffizienz machen Zink-Luft Batterien zu einer vielversprechenden Lösung für die Speicherung erneuerbarer Energien. Ihre breite Anwendung kann die Integration erneuerbarer Energien erleichtern, die Zuverlässigkeit des Stromnetzes verbessern und den Übergang zu einer nachhaltigen Energiezukunft beschleunigen.