Effizienter, leichter, nachhaltiger: Forscher entwickeln Batterien der nächsten Generation

Völlig neuer Ansatz

01.03.2024

Symbolbild

Computer-generated image

Wissenschaftler der TU Darmstadt haben einen wichtigen Erfolg in der Batterieforschung erzielt: Mit einer neuen Technologie gelang es ihnen, die Effizienz und Ladeeigenschaften sogenannter Zink-Luft-Batterien deutlich zu verbessern. Ihre Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Small“ veröffentlicht.

Zink-Luft-Batterien gehören zu den ältesten und zugleich effizientesten chemischen Batteriespeichern. Die Spannung in ihnen entsteht durch eine Reaktion von metallischem Zink mit Sauerstoff aus der Luft. Verwendung finden die Batterien etwa als Knopfzellen in Hörgeräten sowie in größerer Form im Betrieb von Elektrozäunen und Signallampen.

Allerdings haben diese Energiespeicher auch gravierende Nachteile: Sie sind bisher nicht wiederaufladbar. Zudem benötigen sie Elektroden aus metallischem Zink, das möglichst vollständig genutzt werden sollte, um eine Wiederaufladbarkeit sowie eine hohe Lade- und Entladeleistung zu gewährleisten. Da dies aber bislang nur mit einer Effizienz von etwa 50 Prozent gelingt, sind die metallischen Anoden immer überdimensional groß ausgelegt. Dadurch ist die Produktion wenig ressourcenschonend, und die Batterien sind für alle Arten von mobilen Anwendungen bislang unnötig schwer und ungeeignet.

„Man kann sich dies als Totvolumen einer bestimmten Benzinmenge vorstellen – um das Bild fossiler Fortbewegungsenergie zu bemühen –, die nie aus einem Tank gefördert werden kann, letztlich aber immer mitgeführt werden muss, um den Betrieb überhaupt erst möglich zu machen“, erklärt TU-Chemieprofessor Jörg J. Schneider. Ein weiteres Defizit der Zink-Luft-Speichertechnologie in ihrer bisherigen Form: Beim wiederholten Aufladen können sich stabförmige Kristallstrukturen bilden, sogenannte Dendriten, die die Batterie schädigen oder sogar zerstören.

Völlig neuer Ansatz

Schneiders Arbeitsgruppe in der Anorganischen Chemie löste diese Probleme mit einem völlig neuen Ansatz: Anstatt mit Metallanoden und -kathoden führen die Wissenschaftler den Lade- und Entladeprozess direkt aus einer homogenen Elektrolyt-Lösung heraus durch. Der Elektrolyt ist in jeder Batterie fester Bestandteil und dient im neuen Konzept einerseits als leitfähiges Medium und andererseits zugleich als Quelle für die Abscheidung und Auflösung der Zinkanode. „Mit der Abscheidung und Wiederauflösung des Aktivmetalls Zink direkt aus einer Lösung an einer nanostrukturierten Kohlenstoffelektrode leiten wir einen Paradigmenwechsel ein“, sagt Daniel Deckenbach aus der Forschungsgruppe. „Damit ist es uns gelungen, funktions- und leistungsfähige, wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien zu entwickeln.“

Mit der neuen Technologie können die Speicher bislang mehr als 200-mal mit hoher Leistungs- und Energiedichte wiederaufgeladen werden. Hier versteckt sich weiteres Optimierungspotenzial. Die Nutzbarkeit der chemisch gespeicherten Energie ist aber bereits jetzt fast vollständig reversibel – die sogenannte Entladungstiefe liegt bei 92 Prozent. „Da für den Betrieb der Batteriezelle keinerlei Metallelektroden mehr benötigt werden und nur noch ein Minimum an chemischen Substanzen, ist die Effizienz deutlich erhöht, und wir erzielen eine enorme Gewichtsersparnis gegenüber den bisherigen Zink-Luft-Speichersystemen“, betont Schneider. „Wiederaufladbarkeit bei geringem Systemgewicht und hoher Resourceneffizienz sind die zentralen Pluspunkte unserer Entwicklung.“