Zink-Manganoxid-Batterien mit wasserbasiertem Elektrolyten als Speichertechnologie für die Energiewende
Lithium-Ionen-Batterien (LIB) dominieren den Markt für stationäre stationären Batteriespeichersystemen, bergen aber insbesondere in Bezug auf Sicherheit sowie Umwelt- und Sozialverträglichkeit bei der Rohstoffgewinnung und in der Produktion eine Vielzahl an Risiken. Alternative Batteriesysteme, wie die wasserbasierten Zink-Ionen-Batterien (ZIB), weisen hier deutliche Vorteile auf. Die leistungsfähige Zink-Manganoxid-Batterie (ZMB) Technologie sticht hervor durch die Einfachheit des Systemaufbaus bei gleichzeitig hoher Sicherheit, weniger kritischen Batteriebestandteilen sowie der Möglichkeit eines umwelt- und sozialverträglichen Rohstoffabbaus.
Aus der Literatur und vorangegangenen Arbeiten am Fraunhofer ISE leiten sich die zwei wesentlichen Forschungsthemen ab, welche eine industrielle Nutzung der ZIB-Technologie zurzeit verhindern und welche die wesentlichen Kernpunkte dieser Forschungsarbeit darstellen:
Ziel des Forschungsvorhabens ist es die, die gewonnen Kenntnisse über die Reaktionsmechanismen zu nutzen um die Technologie hinsichtlich ihrer Effizienz, Langzeitstabilität, Energiedichte und Nachhaltigkeit zu verbessern. Begleitend zum Prototypen-Zellaufbau werden Recyclingkonzepte für das Modul und seine einzelnen Bestandteile erarbeitet und validiert.
Update 11/2025:
Der Schwerpunkt des vergangenen Forschungsjahres lag auf dem Kathoden‑Reaktionsmechanismus. Dabei lag der spezielle Fokus auf der Rolle des pH‑Werts. In der Literaturrecherche hat sich ergeben, dass die bisherigen Messungen des pH-Werts stark fehlerbehaftet und ungenau waren. Deshalb wurde eine neue, anwendungsnahe operando‑pH‑Messtechnik mit Oberflächen‑Sonden entwickelt. Diese Methode bietet gleich mehrere Vorteile. Der pH-Wert wird lokal direkt an der Elektrodenoberfläche gemessen, der pH wird an Anode und Kathode getrennt erfasst und das zur Messung notwendige Elektrolytvolumen ist stark reduziert. Damit kommt die neue Methode deutlich näher an den realen Betrieb einer Zelle und kann somit deutlich genauer die real stattfindenden pH-Änderungen abbilden. Gleichzeitig wurde eine coin-cell-basierte Möglichkeit zur operando Mikroskopie geschaffen, die eine visuelle Untersuchung der Reaktionsmechanismen ermöglicht. Die neue Messmethode und die daraus gewonnen Erkenntnisse wurden im Rahmen einer geplanten Veröffentlichung verarbeitet. Die gewonnen Erkenntnisse betreffen unter anderem zwei verschiedene Elektrolytkonzepte (Sulfat und Sulfat/Acetat) sowie die kathodengetriebene pH-Änderung und dadurch ausgelöste Zinkkorrosion.