Eine neue Zink-Luft-Batterie erreicht eine Laufzeit von über 300 Stunden und soll eine Alternative zu Lithium darstellen.

Zink-Luft-Batterien sind seit Jahren aufgrund ihrer Fähigkeit, Energie zu speichern, sowie der Verwendung relativ reicher Materialien eine interessante Alternative. Es gibt jedoch ein Hindernis, das ihre Entwicklung eingeschränkt hat: Die effiziente Aufladbarkeit sowie die Beibehaltung ihrer Leistung nach zahlreichen Zyklen bleiben für Forscher eine Herausforderung.

Ein Team von Chemikern an der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland hat ein neues Material entwickelt, das dabei helfen könnte, diese Hürde zu überwinden. Die Forschung konzentriert sich darauf, die innerhalb dieser Batterien ablaufenden chemischen Reaktionen zu verbessern, um ein stabileres und langlebigeres Funktionieren zu erreichen. Die im Labor erzielten Ergebnisse deuten auf mögliche Anwendungen bei der Speicherung erneuerbarer Energie hin.

Ein hybrider Katalysator zur Verbesserung von Zink-Luft-Batterien

Der Schlüssel zu diesem Fortschritt liegt in einem aus Eisen, Nickel und Kohlenstoff bestehenden Katalysator. Das von Professor Jörg J. Schneider geleitete Team hat nanometrisch kleine Nickelferrit-Partikel mit einer durch Stickstoff und Phosphor modifizierten Kohlenstruktur kombiniert. Diese Konfiguration ermöglicht es, die Aktivität des Materials zu steigern und die für das Aufladen sowie Entladen der Batterie notwendigen chemischen Reaktionen unter Kontrolle zu halten.

Nickelferrite wurden bereits als Katalysatoren untersucht, um die Sauerstoffreaktionen in wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterien zu fördern. Das Problem bestand darin, dass diese Materialien eine begrenzte chemische Aktivität aufwiesen und während des Betriebs an Stabilität verlieren konnten. Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher die kleinen Partikel in eine nanorhöhrförmige Kohlenstoffstruktur eingebettet, die dazu beiträgt, sie dispergiert zu halten und verhindert, dass sie sich leicht zusammenlagern oder auflösen.

Diese Kohlenstoffhülle erleichtert außerdem den Transport von Elektronen sowie der Stoffe, die an elektrochemischen Reaktionen beteiligt sind. Gleichzeitig bieten sie mehr aktive Stellen, damit solche Reaktionen stattfinden können. Das Ergebnis ist ein hybrider Katalysator, der dafür konzipiert ist, über einen längeren Zeitraum ohne Verlust an Effizienz zu funktionieren – ein grundlegender Anforderung dafür, dass Zink-Luft-Batterien zu einer praktikablen Option für Energiespeichermanagement-Anwendungen werden können.

In den durchgeführten Tests erreichte das Material ein Halbwellenpotenzial von 0,79 Volt sowie eine Tafelneigung von 56,5 Millivolt pro Dekade – zwei Parameter, die zur Bewertung des Verhaltens elektrochemischer Katalysatoren verwendet werden. Zudem förderte es einen vier-Elektronen-Reduktionsweg für Sauerstoff, ein Prozess, der wichtig ist, um die Effizienz der in der Batterie ablaufenden Reaktionen zu verbessern.

Auch bei der Integration des Katalysators in eine vollständige Zelle waren die Ergebnisse vielversprechend. Die Batterie erreichte eine maximale Leistungsdichte von 54 Milliwatt pro Quadratzentimeter, im Vergleich zu 28 Milliwatt pro Quadratzentimeter, die als Referenz für herkömmliche Katalysatoren auf Platin und Ruthenium verwendet wurden. Dieser Vergleich deutet auf eine erhebliche Verbesserung unter den experimentellen Bedingungen der Studie hin, bedeutet jedoch nicht automatisch, dass das System für die Markteinführung bereit ist.

Die auffälligste Erkenntnis ergab sich während der Lade- und Entladeprüfungen. Die Zink-Luft-Batterie funktionierte in Labortests unter ständigen Stromzyklen mehr als 300 Stunden lang. Laut den Forschern hilft der neue Katalysator dabei, die sogenannte Dreifachoberfläche zu stabilisieren – den Bereich, in dem sich der feste Katalysator, das flüssige Elektrolyt und der Sauerstoff aus der Luft treffen.

Es ist entscheidend, diese Oberfläche stabil zu halten, damit die Reaktionen kontrolliert ablaufen können. Wenn der Katalysator an Aktivität verliert oder sich verschlechtert, kann die Leistung der Batterie sinken und ihre Lebensdauer wird beeinträchtigt. Das neue Material zielt genau darauf ab, solche Probleme zu vermeiden und über längere Zeiträume hinweg konstantere Betriebsbedingungen zu gewährleisten.

Eine Alternative zur Speicherung erneuerbarer Energie

Zink-Luft-Batterien weisen im Vergleich zu lithiumbasierten Technologien mehrere potenzielle Vorteile auf. Zink, Eisen und Kohlenstoff sind relativ reichlich vorhandene Materialien, was die Beschaffung von Rohstoffen erleichtern und die Kosten senken kann. Zudem können diese Batterien nicht brennbare wässrige Elektrolyte verwenden, was bestimmte Risiken durch Brände infolge von Überhitzung der Batterien verringert.

Ihre Fähigkeit, im Verhältnis zu ihrem Gewicht große Mengen an Energie zu speichern, macht sie ebenfalls zu einer interessanten Technologie. Dennoch ist es wichtig, zwischen den theoretischen Möglichkeiten der Zink-Luft-Chemie und den Leistungen einer vollständigen kommerziellen Batterie zu unterscheiden. Die Energiedichte, die verfügbare Leistung, die Lade- und Entladeeffizienz sowie die tatsächliche Lebensdauer hängen vom Design jedes Systems und von den Betriebsbedingungen ab.

Bislang wurden Zink-Luft-Batterien insbesondere in kleinen Geräten wie Kopfhörern eingesetzt, wo ihre Speicherkapazität nützlich ist und es nicht unbedingt notwendig ist, sie aufzuladen. Die Entwicklung wiederaufladbarer Versionen war aufgrund der Schwierigkeiten, die chemischen Reaktionen während der Lade- und Entladezyklen zu kontrollieren, weitaus komplizierter.

Der Fortschritt der Technischen Universität Darmstadt befasst sich mit einem wichtigen Aspekt dieses Problems, doch es bleiben noch Fragen ungelöst, bevor man an eine großflächige Einführung denken kann. Die wichtigsten sind die Langzeitausdauer, die Energieeffizienz im gesamten Zyklus, die Herstellungskosten sowie die Fähigkeit, die Leistung bei Vergrößerung der Zellgröße aufrechtzuerhalten.

Aufgrund ihrer Eigenschaften gehört die stationäre Elektrizitätsspeicherung zu den interessantesten Anwendungen für diese Technologie. Zink-Luft-Batterien könnten dabei helfen, Überschüsse aus Solarkraftwerken und Windparks zu speichern, um sie dann einzusetzen, wenn die Erzeugung unzureichend ist. In diesem Bereich können die Materialkosten und die Sicherheit genauso wichtig sein wie die maximale Leistung, die das System bietet.

A langfristig könnte man auch ihre Verwendung im Schwerlastverkehr und in Elektroautos untersuchen. Allerdings führen die mäßige Leistungsdichte sowie die noch bestehenden Herausforderungen bei der Aufladung dazu, dass es verfrüht ist, sie als direkten Ersatz für die aktuellen Autobatterien zu betrachten. Um diesen Punkt zu erreichen, muss nachgewiesen werden, dass die im Labor festgestellten Vorteile auch in vollständigen Systemen unter realen Einsatzbedingungen bestehen bleiben.

Die Forschung stellt somit einen vielversprechenden Schritt in Richtung langlebigerer und leichter aufladbarer Zink-Luft-Batterien dar. Die bei den Tests erzielten mehr als 300 Betriebsstunden belegen das Potenzial des Katalysators, doch der eigentliche technologische Sprung wird dann erfolgen, wenn es möglich ist, diese Ergebnisse auf größere Anlagen zu übertragen und ihre wirtschaftliche Rentabilität nachzuweisen.