Materialien für Zink und Zink-Luft Batterien

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1 Materialien für Zink und Zink-Luft Batterien Dr.-Ing. Armin Melzer Grillo-Werke AG Batterietag Münster, 22. Februar 2010

2 Der Grillo-Konzern: Industrielle Wertschöpfung in 4 Geschäftsbereichen METALL Zinkdraht, Zinkband, Zinkpulver, Zinkanoden, ZAMAK CHEMIE Schwefelchemikalien, Recycling schwefelhaltiger Rückstände, Chemikalienhandel ZINKOXID Zinkoxide für Gummi, Chemie, Keramik, Pharmazie RHEINZINK Bauzink (Titanzink) für Bedachungen, Fassaden und Dachentwässerung

3 GRILLO - Batterieprodukte Zinkpulver Zinkband

4 Geschichtliche Entwicklung 1789 Luigi Galvani 1800 Alessandro Volta Volta sche Säule Kupfer- und Zinkscheiben 1802 Johann Wilhelm Ritter Ritter sche Säule Urform des Akkus 1836 J.F. Daniell Cu-CuSo 4 -ZnSO 4 -Zn Zelle 1860 Georges Leclanche Leclanche Element Braunstein/Zink-Element mit Salmiakelektrolyten 1900 T.A. Edison Nickel-Cadmium Batterie

5 Energiedichte [Wh/kg] und Kosten [$/kwh] von Batteriesystemen Wh/kg Zink-Luft Li-Ionen / Zink-Silber Zink-Mangan Nickel-MH / Zink-Nickel Blei-Säure $/kwh

6 Zink-Kohle-Batterien Erfunden 1860 von Georges Leclanche Salmiaksalzlösung als Elektrolyt Zinkchloridlösung als Elektrolyt (höherwertig) mehrere Milliarden Stück weltweit Taschenlampen, Weckern, Spielzeug, u.a.

7 Alkali-Mangan-Batterien Kaliumhydroxid als Elektrolyt Anfang der siebziger Jahre vorwiegend militärische Anwendungen Seit Mitte der achtziger Jahre hat die alkalische Rundzelle absatzmäßig die Zink- Kohle-Zelle in Europa überflügelt Alkali-Mangan-Zellen leisten ein Vielfaches mehr als vergleichbare Zink-Kohle-Zellen Hochstromanwendungen tragbare Audiogeräte, Fotoapparate, Fernbedienungen, Spiele, u.a.

8 Reaktionsgleichungen von Alkali-Mangan Batterien Die Entladung resultiert aus den elektrochemischen Reaktionen an der Anode und der Kathode. Während der Entladung wird das negative Elektrodenmaterial Zink oxidiert und zur selben Zeit wird das positive Elektrodenmaterial MnO2 reduziert: Kathode: 2MnO 2 + H 2 O + 2 e - Ä 2MnOOH + 2OH - Anode: Zn + 2OH - Ä ZnO + H 2 O + 2e - Gesamt: Zn + 2MnO 2 Ä ZnO + 2MnOOH

9 Zinkpulver für alkalische Batterien Sehr hohe Qualitätsansprüche werden an das Zinkpulver hinsichtlich Gasung und elektrischer Leistung in der Batterie gestellt Gasungseigenschaften des Zinkpulvers ist für die Batteriehersteller ein entscheidendes Qualitätskriterium Hohe Reinheit des Zinks Die Wasserstoffentwicklung des Zinkpulvers im Elektrolyten (KOH) muss durch spezielle Mikrolegierungselemente (Bi, In, Al, Mg u.a.) unterdrückt werden Morphologie und Korngrößen sind für das Entladeverhalten der Batterie von entscheidender Bedeutung Zinkpulver muss frei von Pb, Hg und Cd sein

10 Zink-Luft-Batterien In alkalischen Zink-Luft Batterien reagiert der Luftsauerstoff zusammen mit einer katalytischen Kathode und einer Zinkanode Sehr großes Zinkpulvervolumen (Anode) Höchste Energiedichte und höchste spezifische Energie und Kapazität von allen elektrochemischen Systemen Typisches Einsatzgebiet sind Hörgeräte Im aktivierten Zustand (Entfernen der Klebefolie) nur begrenzt lagerfähig durch Austrocknung Im versiegelten Zustand nahezu unbegrenzt lagerfähig

11 Silberoxid-Zink-Batterien Überwiegend als Knopfzelle Im Aufbau ähnlich den Alkali-Mangan-Zellen, wobei anstelle von Braunstein Silberoxid eingesetzt wird Sehr kleine Abmessungen Hohe Materialkosten durch Silberoxid Einsatzgebiete sind Anwendungen, die auf kleinstem Raum eine Batterie mit hohem Energieinhalt und hoher Belastbarkeit benötigen Wiederaufladbare Silberoxid-Zink-Batterien befinden sich derzeit in der Entwicklung Mars Pathfinder war mit einer wiederaufladbaren Zink-Silber Batterie ausgerüstet Mars Pathfinder

12 Produktbereich Zinkpulver Geschäftsbereich Metall Forschung und Entwicklung Batteriebau und Gasungstestlabor Entladestationen für LR6 und LR14 Zellen Chemisches Labor mit ICP und Funkenspektrometer Entwicklungsschwerpunkte: Zinkpulver für Batterien mit hoher Leistung Zinkpulverlegierungen mit geringer Gasungsneigung Zinkpulver für wiederaufladbare Zink und Zink-Luft Batterien

13 Ausblick (1) Der Einsatz von alkalischen Zink-Batterien nimmt weltweit deutlich zu Entwicklung von noch leistungsfähigeren Batteriesystemen wird vorangetrieben Die Entwicklung wiederaufladbarer Zink-Akkus wird deutlich intensiviert, wobei folgende Systeme im Vordergrund stehen: Zink-Luft Akkus Zink-Silberoxid Akkus Zink-Nickel Akkus Zink-Mangan Akkus (Sonderanwendungen)

14 Ausblick (2) Vorteile und Chancen von Zink-Akkumulatoren hohe Energiedichte geringe Energiekosten große verfügbare Zinkvorkommen Zinkbatterien sind gut zu recyceln hohe Sicherheit

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