Materialien für Zink und Zink

Materialien für Zink und Zink-Luft Batterien
Dr.-Ing. Armin Melzer
Grillo-Werke AG
Batterietag Münster, 22. Februar 2010
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
Der Grillo-Konzern: Industrielle Wertschöpfung in 4 Geschäftsbereichen
METALL
Zinkdraht, Zinkband, Zinkpulver, Zinkanoden, ZAMAK
CHEMIE
Schwefelchemikalien, Recycling schwefelhaltiger Rückstände,
Chemikalienhandel
ZINKOXID
RHEINZINK
Zinkoxide für Gummi, Chemie, Keramik, Pharmazie
Bauzink (Titanzink) für Bedachungen, Fassaden
und Dachentwässerung
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
GRILLO - Batterieprodukte
• Zinkpulver
• Zinkband
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
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-CuSo4-ZnSO4-Zn Zelle
1860
Georges Leclanche
„Leclanche Element“
Braunstein/Zink-Element mit
Salmiakelektrolyten
1900
T.A. Edison
Nickel-Cadmium Batterie
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
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
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
Zink-Kohle-Batterien
• Erfunden 1860 von Georges Leclanche
• Salmiaksalzlösung als Elektrolyt
• Zinkchloridlösung als Elektrolyt (höherwertig)
• mehrere Milliarden Stück weltweit
• Taschenlampen, Weckern, Spielzeug, u.a.
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
Alkali-Mangan-Batterien
• Kaliumhydroxid als Elektrolyt
• Anfang der siebziger Jahre vorwiegend
militärische Anwendungen
• Seit Mitte der achtziger Jahre hat die
alkalische Rundzelle absatzmäßig die ZinkKohle-Zelle in Europa überflügelt
• Alkali-Mangan-Zellen leisten ein Vielfaches
mehr als vergleichbare Zink-Kohle-Zellen
• Hochstromanwendungen
• tragbare Audiogeräte, Fotoapparate,
Fernbedienungen, Spiele, u.a.
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
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:
• 2MnO2 + H2O + 2 e- € 2MnOOH + 2OHAnode:
• Zn + 2OH- € ZnO + H2O + 2eGesamt:
• Zn + 2MnO2 € ZnO + 2MnOOH
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
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
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
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
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
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
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
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
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
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)
Geschäftsbereich Metall / Metal Division
Ausblick (2)
Vorteile und Chancen von Zink-Akkumulatoren
• hohe Energiedichte
• geringe Energiekosten
• große verfügbare Zinkvorkommen
• Zinkbatterien sind gut zu recyceln
• hohe Sicherheit
Geschäftsbereich Metall / Metal Division