Nachhaltige Energiespeicher für erneuerbare Energien

Die Dual-Ionen-Batterie (DIB) ist eine recht junge Entwicklung, die auf Graphit-Kathoden basiert. Durch den Einsatz von Graphit kann auf kritische Materialien, wie Kobalt oder Nickel, verzichtet werden. Der DIB-Ansatz überzeugt mit langer Lebensdauer, hoher Energiedichte, niedrigen Kosten und unproblematischem Rohstoffeinsatz. Bisherige Untersuchungen fokussierten die Materialebene und die Herstellung von Laborzellen. Pouchzellen und andere industrierelevante Zellformate blieben bisher weitgehend unbetrachtet. Gleiches gilt für die Skalierung in den Pilotmaßstab.

Transfer in die Industrie als großes Ziel

Im Projekt TransDIB (»Entwicklung und Transfer von kosteneffizienten, nachhaltigen und sicheren Dual-Ionen-Batterien für stationäre Energiespeicherlösungen«) soll nun der Industrietransfer dieser Batteriezellentechnologie erfolgen. Dafür wollen die Projektpartner Prototypen auf einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB)-Pilotanlage herstellen. Darauf aufbauend soll dann die Planung der industriellen Zellproduktion für DIBs erfolgen, so dass am Ende Graphit-Elektroden großflächig im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden können. Dafür arbeiten im Projekt Partner aus Industrie (VARTA Microbattery GmbH, SGL Carbon GmbH, E-LYTE Innovations GmbH, Sixonia Tech GmbH) und Forschung (Technische Universität Dresden, Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Westfälische Wilhelms-Universität Münster) Hand in Hand.

Qualifizierung neuer Materialien

Zur Erreichung der Ziele müssen auch grundlegende Aspekte der DIB-Technologie weiterentwickelt werden. Das betrifft vor allem Materialentwicklungen für hochkonzentrierte Elektrolytformulierungen und neue graphitische Elektrodenmaterialien. Damit soll die Kapazität von Kathoden und Anoden zu erhöht, Elektroden-Slurrys auf Wasserbasis entwickelt oder Energiedichten der Zellen gesteigert werden.

In diesem Bereich bringt das Fraunhofer IKTS seine Kompetenzen ein und setzt die multiskalige Charakterisierung von atomarer Ebene bis Zellgröße um. In In-situ-Ansätzen werden zudem Alterungs- und Degradationsprozesse der eingesetzten Materialien untersucht. Und durch die Modifikation von Graphitmaterialien sollen die Kapazität, Energie, Reversibilität und Lebensdauer von Elektroden und Aktivmaterialien gesteigert werden.

Vorteile der DIB

Bei einer DIB wirkt der Elektrolyt als Aktivmaterial, da in diesem sowohl Anionen als auch Kationen gleichzeitig in der Anode bzw. Kathode gespeichert und freigesetzt werden. Da der Weg der Ionen so nur halb so lang wie in klassischen Lithium-Ionen-Batterien ist, gestaltet sich der Lade- und Entladevorgang entsprechend schneller. Der Einsatz von Graphit bringt aber noch weitere Vorteile mit sich. So können die Kathoden aus wässrigen Formulierungen hergestellt werden. Dies ist nicht nur nachhaltig, sondern auch preiswerter als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Zudem sind die Batterien sehr sicher, da in den Elektroden kein Sauerstoff eingesetzt werden muss und die Graphitelektroden selbst bei hohen Laderaten stabil bleiben. Nicht zuletzt können DIB-Zellen vollständig aus Materialien hergestellt werden, die in Deutschland verfügbar sind. Das fördert die deutsche Technologieführerschaft und führt zur Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffquellen.

Vielversprechende Anwendungen

Stationäre Energiespeicher werden vor allem für die Zwischenspeicherung von grünem Strom aus erneuerbaren Energiequellen, wie Sonne und Wind, verwendet. Im Vergleich zu aktuellen Speichertechnologien (z. B. Pumpspeicherkraftwerke) zeichnen sich stationäre Batterien durch einen geringeren Flächenverbrauch aus. Das reduziert die Investitionskosten. Da sie zudem modular gestaltet sind, können diese Speicher leicht skaliert werden und sind so für gewerbliche Anwendungen genauso geeignet wie für Haushaltsnetzanwendungen.