ELuStat: Eisen-Luft-Batterie als stationärer Energiespeicher

Fluktuierende Stromerzeugung durch Photovoltaik- oder Windenergieanlagen ausgleichen

© Fraunhofer UMSICHT

Luftelektrode

Um die Stabilität der Luftelektrode des Batteriestacks zu erhöhen soll die Elektrode möglichst frei von Kohlenstoff sein.

Projektziele

Im Rahmen des Projektes entsteht eine neuartige Eisen-Luft-Batterie. Sie soll eine Energiedichte von 250 Wh/kg sowie einen Wirkungsgrad von mindestens 60 Prozent besitzen und 500 volle Lade-/Entladezyklen einsatzfähig sein. Um das zu erreichen, realisieren die Forschenden die Batterie als Stack mit Bipolarplatten. Zudem sollen durch ein neuartiges galvanisches Herstellungsverfahren der Eisenelektrode eine wesentlich höhere spezifische Kapazität der Eisen-Luft-Batterie und damit eine höhere Energiedichte erreicht werden.

CO2-Reduktion durch den Einsatz von Batterien?

Neben der eigentlichen Batterieentwicklung liegt ein weiterer Fokus der UMSICHT-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler auf der Frage, wie hoch die Treibhausgasminimierung durch die Verwendung von Eisen-Luft-Batterien ist. Dabei betrachten sie die Verwendung des Speichers zur Erhöhung des Autarkiegrades von Photovoltaikanlagen.

Nutzen

Charakteristisch für die Stromerzeugung aus regenerativen Quellen wie Wind oder Sonne ist ihre Fluktuation. Um diese Schwankungen auszugleichen und eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten, werden neue kostengünstige Speichertechnologien benötigt, die elektrische Energie im Gigawatt-Bereich speichern und wieder ins Netz zurückspeisen. Eine Möglichkeit sind stationäre Batteriespeichersysteme, die einfach in der Handhabung sind. Darüber hinaus stehen für sie ausreichende Ressourcen für einen großflächigen Einsatz zur Verfügung.

Hohes Entwicklungspotenzial von Eisen-Luft-Batterien

Hier kommen Eisen-Luft-Batterien ins Spiel. Sie bieten ein hohes Entwicklungspotenzial, da sowohl Eisen als auch Kalium – die Basis für die alkalischen Elektrolyten – in sehr großem Umfang technisch abbaubar vorkommen. Gleichzeitig sind die Eisenelektroden sehr robust und können mehr als 10 000 Lade-/Entladezyklen überstehen. Das entspricht einer Einsatzdauer von etwa 30 Jahren. Zudem sind Eisen-Luft-Batterien unempfindlich gegen Überladung, Teil- und Tiefentladung.

Herausforderungen

Ein Nachteil herkömmlicher Eisen-Luft-Batterien: Sie haben einen Wirkungsgrad von weniger als 50 Prozent. Das liegt zum einen an der Wasserstoffentwicklung an der Eisenelektrode, zum anderen an der hohen Überspannung an der Luft-Elektrode. Auch die Stabilität der Luft-Elektrode ist aufgrund von Austrocknung und Katalysatorvergiftung noch nicht ausreichend für einen Einsatz als stationärer Speicher im Kontext regenerativ erzeugter Energie.

Batteriegewicht senken, Elektrodenkapazität erhöhen

Das wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer UMSICHT ändern. Ihr Ziel ist eine Eisen-Luft-Batterie mit verbesserter Energiedichte und höherem Wirkungsgrad. Dabei setzen sie zum Beispiel auf Maßnahmen, die das Gewicht der Batterie absenken. Erreicht werden soll das durch die Entwicklung eines mehrzelligen bipolaren Stacks, bei dem neuartige leichte und kostengünstige graphitische Bipolarplatten zum Einsatz kommen.

Eine weitere Maßnahme der Forschenden ist die Erhöhung der Elektrodenkapazität. Ihr Ansatz: Sie wollen Eisen als kostengünstige Aktivmasse galvanisch herstellen und als verfügbare alkalische Elektrolyten zum Beispiel Kalilauge oder Natronlauge verwenden. Dadurch sollen eine bessere Kopplung zum Stromabnehmer sowie eine effektivere Nutzung des Materials erzielt werden. Zudem bietet sich das elektrochemische Abscheideverfahren zur gezielten Passivierung der Elektrodenoberfläche gegen Nebenreaktionen an. Dadurch wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler insbesondere die parasitäre Bildung von Wasserstoff verhindert, ohne die eigentliche Funktion der Batterie zu beeinträchtigen.

Projektpartner

  • Hochschule Ruhr West