Unterbrechungsfreie Stromversorgung Nickel-Zink-Akkus sollen KI-Datacenter absichern

Das Start-up Zn2H2 entwickelte mit Unterstützung des Fraunhofer IZM eine neuartige, kostengünstige Methode zur Herstellung von Nickel-Zink-Akkus. 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 künstlicher Intelligenz entstehen aktuell immer größere Datacenter. Bei der Planung von Rechenzentren muss stets 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 jedoch die USV nicht ausreichend dimensioniert oder versagen Komponenten, können zentrale Dienste, Sicherheitseinrichtungen und Back-up-Funktionen ausfallen und wichtige Daten verloren gehen.

Realisiert wird die USV mit Batterien, die in kurzer Zeit die notwendige Energie bereitstellen – bis dann die reguläre Notstromversorgung anläuft. Aktuell kommen für Puffersysteme zumeist Lithium-Ionen-Akkus 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), die kleiner, leichter, sicherer und günstiger sind, will das Start-Up Zn2H2 gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM eine Alternative zu Lithium-Akkus schaffen.

Gemeinsames Know-how von Start-up und Forschung

Die Wirkungsweise von NiZn-Zellen ist seit über 100 Jahren bekannt. Bisher standen ein aufwendiger Herstellungsprozess und die geringe Anzahl von Aufladezyklen einer weiteren Verbreitung im Markt im Weg. Zn2H2 ist in der Start-A-Factory, dem Entwicklungslabor für Start-ups am Fraunhofer IZM, ansässig. Dort konnte das Unternehmen auf die Erfahrung des Institutes zurückgreifen, um seine Vision einer Zink-Wasserstoff-Zelle umzusetzen. 

Zugleich hat Zn2H2 ein kostengünstiges Direktbeschichtungsverfahren für Nickelhydroxid (Ni(OH)₂) Elektroden entwickelt, das die Herstellung von Nickel-Zink-Batterien mit hoher Leistung ermöglicht. Bei der Herstellung dieser Batterieart dient üblicherweise eine dicke, gesinterte Schicht aus Nickelhydroxid am Pluspol als Gegenelektrode zur Zinkelektrode am Minuspol. Bei der neuartigen Fertigungsmethode wird das Nickel am Pluspol als direkte Abscheidung auf eine dünne Stahlfolie aufgebracht. Dadurch können großflächige Elektroden hergestellt und – wie bei zylindrischen Lithium-Ionen-Batterien – aufgewickelt werden. In Kombination mit dem wässrigen Elektrolyten, der eine hohe Leitfähigkeit besitzt, kann die Batterie schneller entladen, aber auch zuverlässiger wieder aufgeladen werden.

Prüfung der Batterie am Fraunhofer IZM

Mit der Testinfrastruktur am Fraunhofer IZM wurden die Elektroden und NiZn-Batterien im Auftrag von Zn2H2 umfassend geprüft. Der Test über 20.000 Ladezyklen zeigte eine hohe Entladerate von mehreren 100 C und eine Leistung von über 10.000 W/kg. Mit Entladezeiten von einigen zehn Sekunden bis etwa fünf Minuten eignen sich die Nickel-Zink-Akkus besonders für den Einsatz in Hyperscale-Rechenzentren – und 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.

Umsetzung bis 2027 geplant

Der für Mitgliedsunternehmen des Semiconductor Climate Consortiums zugängliche Strategiebericht markiert die erste Phase des Gesamtprojekts. In einer zweiten Phase sollen die Empfehlungen bis März 2027 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.