Elektrochemische Speicher. Hochtemperatur-Batterien

Transkript

1 Hochtemperatur-Batterien

2 Hochtemperatur-Batterie für Hochleistungsbatterien sind nur solche Systeme aussichtsreiche Kandidaten, die leichte Elemente mit hoher Affinität verwenden (z.b. Wasserstoff oder auch die Alkalimetalle Lithium und Natrium) beim Einsatz von Natrium und Lithium sind keine wässrigen Elektrolyten verwendbar Festelektrolyten (z.b. beta-aluminat) erreichen erst bei Temperaturen von ca. 300 C ausreichende Ionenleitfähigkeit während des Betriebes wird die freiwerdende Verlustwärme zur Regelung der Betriebstemperatur genutzt, bei ruhender Batterie muss zusätzlich geheizt werden

3 Hochtemperatur-Batterie Natrium/Schwefel-Batterie technische Entwicklung dieses Batteriesystems begann bereits Mitte der 60er Jahre bei Ford in den USA und wurde in den 70er Jahren in Deutschland von der Firma AEG Anglo Batteries weitergeführt zylinderförmiger Becher aus beta-aluminat dient als Separator und ist bei Betriebstemperatur mit flüssigem Natrium gefüllt Raum zwischen Separatorbecher und Zellenaußenwand ist mit Schwefel gefüllt beim Entladen wandern Natrium-Ionen aus dem Innenraum in den Außenraum und bilden dort Na/S-Verbindungen, die mit fortschreitender Entladung mehr Natrium enthalten (Na 2 S 5 - Na 2 S 4 - Na 2 S 3 ). bei einer Ruhespannung von 2,1 V erreicht dieser Batterietyp in der Praxis einen spezifischen Energiewert von ca Wh/kg (theoretisch 795 Wh/kg).

4 Hochtemperatur-Batterie Natrium/Schwefel-Batterie

5 Hochtemperatur-Batterie Natrium/Nickelchlorid-Batterie an diesem Batteriesystem wird seit Ende der 70er Jahre intensiv gearbeitet auch unter dem Namen ZEBRA-Batterie bekannt, nach der Projektbezeichnung zero emission battery research activity der Firma AEG Anglo Batteries ein zylinderförmiger Becher aus beta-aluminat dient zugleich als Separator und Festelektrolyt Material für die negative Elektrode ist Natrium, welches im Außenraum untergebracht ist aktives Material der positiven Elektrode ist im geladenen Zustand NiCl 2 welches sich im Inneren des Separators befindet geschmolzenes NaAlCl 4 dient als Zwischenelektrolyt Natrium entsteht erst beim Laden der Zelle Leerlaufspannung ist 2,58 V und Kapazität 32 Amperestunden in der Praxis lässt sich eine spezifische Energie von ca Wh/kg erreichen (theoretischer Wert: 788 Wh/kg) Temperatur im Inneren der Zelle liegt zwischen 270 Grad und 350 Grad Celsius

6 Hochtemperatur-Batterie Natrium/Nickelchlorid-Batterie

7 Zink-Luft-Batterien Elektrochemische Speicher

8 Zink-Luft-Batterie bereits dem amerikanischen Erfinder Thomas Alva Edison ( ) war bekannt, dass sich aus Zink und Luftsauerstoff Strom erzeugen lässt positive Elektrode ist ein poröser Körper aus Kohlenstoff, zu dem Luft Zutritt hat negatives Elektrodenmaterial ist Zink an der positiven Elektrode wird Luftsauerstoff reduziert, d.h. das aktive Material ist nicht in der Elektrode enthalten, sondern wird bei Bedarf der Atmosphäre entnommen aufgeladen wird diese Batterie mechanisch durch Austausch der in Kassetten untergebrachten, verbrauchten negativen Elektroden das Zink wird in entsprechenden Anlagen wieder aufbereitet und zu neuen Elektroden verarbeitet Leistungsdaten dieses Batterietyps sind besonders günstig, da das aktive Material im geladenen Zustand gewichtsmäßig keine Rolle spielt als Elektrolyt dient KOH, die Betriebstemperatur liegt bei 60 C.

9 Zink-Luft-Batterie Zink-Luft-Technologie wird wegen der hohen spezifischen Energie von bis zu 350 Wh/kg vorwiegend als Batteriezelle in Hör- und Personenrufgeräten eingesetzt. Als wiederaufladbare Akkuzelle kommt sie für stationäre Energiespeichersysteme, wie unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), zum Einsatz. Erste Prototypen für den mobilen Einsatz, wie in Notebooks, befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Wann es serienreife Produkte geben wird, steht noch nicht fest. 3,3 Ah Zink-Luft-Zelle

10 Zink-Luft-Batterie Elektrochemische Speicher

11 Zink-Luft-Batterie Der Nachteil des Zink-Luft-Akkus besteht darin, dass er ein offenes chemisches System bildet. Denn beim Entladen muss Außenluft an die Reaktionsfläche gelangen, und beim Laden muss der freigesetzte Sauerstoff entweichen. In luftdichter Umgebung ist der Akku daher nicht einsetzbar. Ein Vorteil des Akkus ist dagegen seine geringe Selbstentladung im versiegelten (luftdichten) Zustand. Lagerhaltungen ohne Elektrolyt sind sogar bis zu zehn Jahre möglich. Ein weiterer Pluspunkt für die Zink-Luft-Technologie ist die hohe elektrische Kapazität. Sie beträgt bis zum Dreifachen eines vergleichbaren Lithium-Ionen-Akkus. Außerdem braucht man keine negativen Eigenschaften wie den Memory-Effekt bei der Nutzung der Akkus zu beachten.

12 Zink-Luft-Batterie Durch die Verwendung spezieller Katalysatoren ist es gelungen, wieder aufladbare Zink- Luft Akkus herzustellen. Die Zyklenanzahl liegt heute bei Zyklen. Nach der zwanzigsten Wiederaufladung steht immer noch ca. 80 % der ursprünglichen Kapazität zur Verfügung. Zink-Luft Akkus können besonders viel Energie speichern bei kleinem Gewicht. Sie sind preiswert und besonders geeignet als Lampenbatterien und für Kleinstrom Anwendungen (z.b. Hörgeräte).

13 Zink-Luft-Batterie Elektrochemische Speicher

14 Batterieverordnung und Batterieverwertung

15 Batterieverordnung und Batterieverwertung Batterieentsorgung in Deutschland wird mit der im Sommer 2001 novellierten Batterieverordnung geregelt: Die Hersteller müssen für alle Batterien die Produktverantwortung übernehmen, sie nach Gebrauch über den Handel einsammeln und nach Möglichkeit verwerten parallel zu den Rücknahmestellen im Handel müssen die öffentlich-rechtlichen Entsorgungsträger gebrauchte Batterien kostenfrei an den eingerichteten Sammelstellen annehmen Verbraucher sind seit dem verpflichtet, alle Batterien zurückzugeben, wobei nicht nach Batterietyp, Hersteller oder Verkäufer unterschieden werden muss Batterien dürfen nicht über den Hausmüll entsorgt werden

16 Batterieverordnung und Batterieverwertung für die Rücknahme und Verwertung von Gerätebatterien haben eine Reihe großer Gerätebatteriehersteller das Gemeinsame Rücknahmesystem Batterien (GRS) gegründet daneben haben andere Hersteller (z.b. Hersteller von Spezialbatterien) eigene Rücknahmesysteme gegründet, beispielsweise das Bosch Recyclingzentrum für Akkus aus Elektrowerkzeugen oder die Vereinigung für Wertstoffrecycling (VfW), die von mehreren Herstellern mit der Einsammlung und Verwertung der Batterien beauftragt wurde für Autobatterien übernehmen die jeweiligen Hersteller ihre Produktverantwortung

17 In Deutschland in Verkehr gebrachte Batterien nach Typen Batterien Batterieformen Batterietypen Gerätebatterien in Millionen Stück (2000) Elektrochemische Speicher Gerätebatterien in Tonnen (2000) Primärbatterien Rundzellen Alkalimangan Rundzellen Zink-Kohle Zink-Luft 0,3 32 Lithium Primärbatterien Knopfzellen Zink-Quecksilberoxid 3,3 7 Knopfzellen Silberoxid Knopfzellen Alkalimangan Knopfzellen Zink-Luft Knopfzellen Lithium Akkumulatoren Rundzellen Nickel-Cadmium Rundzellen Nickel-Metallhydrid Rundzellen Lithium-Ion Rundzelle wiederaufladbare Alkalimangan 0,7 19 Klein-Bleiakkus 0,4 482 Akkumulatoren Knopfzellen Nickel-Cadmium 0,3 4 Knopfzellen Nickel-Metallhydrid 1,3 10 Knopfzellen Lithium-Ion 2,6 5 Summe 1032 Mio. Stück Mio. t

18 Verwertungswege der verschiedenen Batterietypen und Probleme Batterietypen Zink-Kohle und Alkali- Manganbatterien, wobei nach quecksilberhaltigen und quecksilberfreien Zellen differenziert wird Beispiel eines möglichen Verwertungsweges Zinkhütte mit Schlackeverwertung heutige Probleme der Entsorgung Der Quecksilbergehalt der heute gesammelten Batterien ist teilweise noch zu hoch, Abtrennung des Quecksilbers ist nicht wirtschaftlich. Derzeit noch Ablagerung von überwiegenden Teilmengen auf Sonderabfalldeponien Kleinbleibatterien Sekundärbleihütte Verwertung nach sauberer Trennung relativ unproblematisch Nickel-Cadmium Nickel-Metallhydrid Vakuumdestillation, Verwertung von Ni, Cd, Fe Verwertung der Metalle als Sekundärrohstoffe in der Edelstahlverhüttung nach Aufbereitung Verwertung nach sauberer Trennung relativ unproblematisch: Anlage mit geringen Emissionen und geringem Energieverbrauch in Deutschland vorhanden keine

19 Verwertungswege der verschiedenen Batterietypen und Probleme Batterietypen Lithiumbatterien, Primärzellen und Sekundärzellen Knopfzellen, quecksilberhaltig Knopfzellen aus Silberoxid Zink-Luft-Batterien Beispiel eines möglichen Verwertungsweges Rückgewinnung von Lithium, Cobalt und anderen Metallen; Verwertungswege sind in Vorbereitung, es existieren Pilotanlagen. Vakuumdestillation zur Abtrennung des Quecksilbers, Verwertung der Metalle Wiedergewinnung des Silbers Zinkhütte mit Schlackeverwertung heutige Probleme der Entsorgung Lithium ist sehr reaktiv und explosiv Knopfzellen werden bisher nicht nach elektrochemischen Systemen sortiert. Eine Trennung wird aber erprobt.

20 Vergleich Elektrochemische Speicher

21 Aktuelle Akku-Technologien im Vergleich Vergleich Elektrochemische Speicher Akku-Technologie Li-Ion / Polymer NiCd NiMeH Pb Zn-Luft Zellen-Spannung (V) 3,6-3,7 1,2 1,2 2,0 1,4 Kapazität (mah) kleiner größer 1000 k. A. Spezifische Energie (Wh/kg) Energiedichte (Wh/l) bis 500 Entladeschluss (V) 2,5 0 0,8 1,7 k. A. Ladeschluss (V) 4,1-4,2 nicht definiert nicht definiert 2,4 k. A. Ladezyklen/Lebensdauer k. A. Verlauf der Entladespannung bei Belastung Selbstentladung (pro Monat) Entladerate/Belastbarkeit (x-fache der Nennkapazität) nahezu waagerecht fallend gering fallend stark fallend k. A. gering, 10 Prozent mittel, 20 Prozent hoch, 30 Prozent gering, kleiner 10 Prozent hoch k. A. Schnellladung (Min) k. A. k. A. Material der Minuselektrode Material der Pluselektrode LiC6 Cd MH Pb Zn LiCoO 2 NiOOH NiOOH PbO 2 C (O 2 ) Empfohlener Ladezustand bei langer Lagerung geladen (voll) entladen geladen geladen entladen (deaktiviert) Mechanische Belastbarkeit sehr gering sehr hoch mittel hoch k. A. Preis sehr teuer günstig teuer sehr günstig k. A.