Wenn Sekunden zählen Nickel-Zink-Akkus sichern KI-Datacenter ab

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

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Mit Unterstützung des Fraunhofer IZM entwickelte das Start-Up Zn2H2 eine neuartige, kostengünstige Methode zur Herstellung von Nickel-Zink-Akkumulatoren. Dieser Batterietyp kann vor allem da zum Einsatz kommen, wo in kurzer Zeit viel Strom gebraucht wird. Der anvisierte Markt: KI-Datacenter.

Durch den breiten Einsatz von künstlicher Intelligenz entstehen aktuell immer grössere Datacenter. Bei der Planung von Rechenzentren muss immer auch berücksichtigt werden, was passiert, wenn der Strom ausfällt. Zwischen dem Ausfall der regulären Stromversorgung und der Übernahme durch die Notstromgeneratoren überbrückt eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) die Zeit. Ist die USV jedoch nicht ausreichend dimensioniert oder versagen Komponenten, können zentrale Dienste, Sicherheitseinrichtungen und Backup-Funktionen ausfallen und wichtige Daten verloren gehen.

Die USV wird dabei mit Batterien realisiert – und zwar mit solchen, die in kürzester Zeit die notwendige Energie bereitstellen, um die Zeit zu überbrücken, bis die reguläre Notstromversorgung anläuft. Aktuell kommen für Puffer-Systeme zumeist Lithium-Ionen-Akkumulatoren zum Einsatz. Diese sind aber nicht optimal für eine solche Aufgabe: Sie sind schwer, teuer und können eine Brandgefahr darstellen.Mit einer neuen Generation von Nickel-Zink-Akkus (NiZn) will das Start-Up Zn2H2 Inc. gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM eine Alternative zu Lithium-Akkus schaffen, die kleiner, leichter, sicherer und günstiger ist.

Gemeinsames Knowhow von Startup und Forschung

Die Wirkungsweise von NiZn-Zellen ist bereits seit über 100 Jahren bekannt. Bisher standen ein aufwendiger Herstellungsprozess und die geringe Anzahl von Aufladezyklen einer weiteren Verbreitung im Markt im Weg.

Das Fraunhofer IZM verfügt über zwei Jahrzehnte Erfahrung mit Zinkbatterien. Zn2H2 ist in der Start-A-Factory, dem Entwicklungslabor für Start-Ups am Fraunhofer IZM, ansässig. Dort konnten sie auch auf die Erfahrung des Instituts zurückgreifen, um ihre Vision einer Zink-Wasserstoff-Zelle umzusetzen. Zusätzlich hat Zn2H2 ein kostengünstiges Direktbeschichtungsverfahren für Nickelhydroxid (Ni(OH)₂) Elektroden entwickelt, das die Herstellung von Nickel-Zink (Ni-Zn) Batterien mit extrem hoher Leistung ermöglicht. Üblicherweise dient bei der Herstellung von dieser Batterieart als Gegenelektrode zur Zinkelektrode am Minuspol eine dicke, gesinterte Schicht aus Nickelhydroxid am Pluspol. Bei der neuartigen Herstellungsmethode von Zn2H2 wird das Nickel am Pluspol als direkte Abscheidung auf eine dünne Stahlfolie aufgebracht. Dadurch können grossflächige Elektroden hergestellt und – wie bei zylindrischen Lithium-Ionenbatterien – aufgewickelt werden. In Kombination mit dem wässrigen Elektrolyten, der eine sehr hohe Leitfähigkeit besitzt, kann die Batterie schneller entladen, aber auch zuverlässiger wieder aufgeladen werden.

Tests der Batterie am Fraunhofer IZM

Aufgrund der langjährigen Erfahrung der Forschenden am Fraunhofer IZM mit Batterien auf Zink-Basis und der dadurch vorhandenen Testinfrastruktur konnten die Elektroden und NiZn-Batterien in den Laboren des Instituts im Auftrag von Zn2H2 ausführlich geprüft werden. Der Test am Fraunhofer IZM über 20.000 Ladezyklen zeigte eine hohe Entladerate von mehreren 100 C und eine Leistung von über 10.000 W/kg.

Die Vorteile der NiZn-Akkus liegen damit für die Projektbeteiligten auf der Hand: Mit Entladezeiten von einigen zehn Sekunden bis zu etwa fünf Minuten eignen sich diese NiZn-Batterien besonders für den Einsatz in Hyperscale-Rechenzentren – oder überall da, wo viel Energie über einen kurzen Zeitraum benötigt wird. Sie punkten mit einer Energiedichte von 40 bis 50 Wh/kg bei hoher und bis 170 Wh/kg bei kleinerer Leistung. Im Vergleich zu den aktuell verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus kommen das insgesamt niedrigere Gewicht, günstigere Herstellungskosten und eine bessere Verfügbarkeit der Rohstoffe zum Tragen. Als eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist deshalb der Einbau in Kraftfahrzeuge zum Starten von Verbrennungsmotoren bei niedrigen Temperaturen denkbar.

An der Zusammenarbeit zwischen dem Start-up Zn2H2 und dem Fraunhofer IZM zeigt sich der Mehrwert dieser Partnerschaft: Frische Ideen treffen auf langjährige Erfahrung – so entstehen Innovationen schneller und erreichen zügiger die Marktreife.

Umsetzung bis 2027 geplant

Der für Mitgliedsunternehmen des Semiconductor Climate Consortium zugängliche Strategiebericht markiert die erste Phase des Gesamtprojekts. In einer zweiten Phase sollen die Empfehlungen bis März 2027 konkret umgesetzt werden. Das Fraunhofer IZM übernimmt dabei die Moderation des Prozesses, bringt die Interessen der beteiligten Unternehmen in Einklang und entwickelt Best-Practice-Ansätze zur Bewertung der Treibhausgasemissionen einzelner Halbleiterkomponenten.

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