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Nachhaltige Speicher: Batterien der Zukunft auf Basis von Calcium und Schwefel?

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Stuttgart - Energiespeicher in Formen von Batterien spielen eine zentrale Rolle, um benötigte Energie bereitzustellen. Gleichzeitig steigen allerdings die Ansprüche in Bezug auf die Nachhaltigkeit und Sicherheit der verwendeten Batteriematerialien. Statt der Lithium-Ionen-Batterien könnte die Calcium-Schwefel (Ca-S) Batterie eine Alternative darstellen.

Ein Projektkonsortium bestehend aus fünf Forschungseinrichtungen, zwei Industrieunternehmen sowie einem Industriebeirat führt unter der Koordinierung des DLR Stuttgart das Verbundprojekt „CaSino“ durch, um das Potential der Calcium-Schwefel (Ca-S) Batterien zu ermitteln.

Aktueller Stand: Lithium-Ionen-Batterien sowie die Vor- und Nachteile
Das bisher in konventionellen Akkumulatoren verwendete Lithium repräsentiert in vielerlei Hinsicht das perfekte Element für eine elektrochemische Zelle: Es vereint eine hohe Stromspeicherkapazität und Zellspannung mit schneller Ionenwanderung. Dies ermöglicht kompakte Batterien und eine schnelle Be- und Entladung. Jedoch weisen Lithium-basierte Systeme eine erhöhte Brandgefahr auf, da sich beim wiederholten Aufladen Dendriten ausbilden können, die im schlimmsten Fall zu einem internen Kurzschluss führen. Außerdem sind die Lithium-Vorkommen auf der Erde begrenzt und nicht auf allen Kontinenten verfügbar. Zudem ist der Abbau umstritten und Lithium kann nur aufwendig recycelt werden.

Calcium-Schwefel Batterien und die Herausforderungen
Calcium kommt im Vergleich zu Lithium 400-mal häufiger vor, ist kostengünstig sowie weltweit und gleichverteilt verfügbar. Es besitzt wie Lithium eine hohe Speicherkapazität und Zellspannung und ist zudem sicherer in Bezug auf Kurzschlüsse, da Calcium im Betrieb keine typischen Dendriten ausbildet.

Die Hauptherausforderungen zur Herstellung einer Calcium-Schwefel Batterie sind nicht minder gering. Das Problem der Nutzung von Calcium besteht in der hohen Reaktivität und Bildung von Oberflächenschichten, sei es bei Kontakt mit Luft oder Feuchtigkeit – oder auch mit dem verwendeten Elektrolyten in der Batterie. Die oxidierten Oberflächen blockieren im weiteren Verlauf die Ionendiffusion und verhindern so die effiziente Be- und Entladung.

Die Entwicklung eines kompatiblen Elektrolyten, der den Einsatz von Calcium ermöglicht, nimmt damit eine Schlüsselfunktion ein. Zusätzlich werden bei der Verwendung einer Schwefel-Kathode lösliche Polysulfide generiert, die die Ca-Anode ebenfalls blockieren können. Auch dies muss unterbunden werden.

Über das Projekt „CaSino“
Im Projekt „CaSino“ geht es vor allem um innovative Materialentwicklung, damit Fortschritte in Bezug auf Zyklenstabilität und Energiedichte von Calcium-Schwefel (Ca-S) Batterien erreicht werden können. Das mit 3 Mio. Euro vom BMBF geförderte Verbundvorhaben wird durch das Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart während der dreijährigen Projektlaufzeit koordiniert.

Aus dem Konsortium nimmt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit seinem Helmholtz-Institut Ulm (HIU) im Bereich der Forschung an Calcium-Batterien eine Vorreiterrolle ein. Mit einem nicht-korrosiven Elektrolyten auf Bor-Basis hat das KIT den Grundstein für die weitere Untersuchung von Ca-Batterien gelegt. Darauf aufbauend strebt das KIT zusammen mit der IoLiTec GmbH, dem Spezialisten für ionische Flüssigkeiten, eine weitere Verbesserung des bereits etablierten KIT-Elektrolyten an.

Das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) adressiert die Notwendigkeit dünner und strukturierter Ca-Anoden, während das DLR-Institut für Technische Thermodynamik hierfür maßgeschneiderte Beschichtungen zum Schutz vor Passivierung entwickelt. Das Naturwissenschaftliche und Medizinischen Institut (NMI) an der Universität Tübingen bringt strukturelle und morphologische Methoden (analytische Elektronen- und Ionenmikroskopie) zur Analyse der neuen Materialien ein.

Des Weiteren werden die experimentellen Aktivitäten durch atomistische Simulationen an der Universität Ulm sowie Kontinuumssimulationen und Modellierungen der Ca-S Zelle am DLR-Institut für Technische Thermodynamik unterstützt.

Schließlich soll eine umfassende Betrachtung ökonomischer und ökologischer Aspekte durch die EurA AG das Potential des Ca-S Systems in Bezug auf Nachhaltigkeit, Kosten und Recyclingfähigkeit im Vergleich zu state-of-the-art Batteriematerialien hervorheben.

Das Projekt wird weiterhin durch einen Industriebeirat bestehend aus den Unternehmen Alantum, Varta, CustomCells und Accurec begleitet.

© IWR, 2022


09.12.2022

 



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