Schematische Darstellung einer Zink-Luft-Batterie (Bild: Zinc8 Energy)
Es tut sich was bei der Batterie-Entwicklung: Wie der YouTube-Kanal Breaking Lab berichtet, soll die neueste Generation der Zink-Luft-Batterien zukünftig sogar den Lithium-Ionen Akkus die Show stehlen können.
Unter den chemischen Stromspeichern sind insbesondere Lithium-Ionen-Batterien weit verbreitet. Sie kommen zum Beispiel in allen Serienmodellen von E-Autos zum Einsatz. Dieser Batterietyp besticht durch seine hohe Energiedichte, die zwischen 150 und 200 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) liegt. Zum Vergleich: Blei-Säure-Batterien, wie sie als Autobatterien in Verbrennerautos genutzt werden, bieten nur etwa 30 bis 40 Wh/kg. Leider bringen Lithium-Ionen Batterien viele Probleme mit sich, die bis heute nicht gelöst sind.
Weshalb sind Lithium-Ionen Batterien nicht ideal?
Lithium-Ionen-Batterien können bei Überladung oder Beschädigung Feuer und Explosionen verursachen. Es ist daher wichtig, sie korrekt zu handhaben und zu lagern. Die Kapazität dieses Batterietyps nimmt im Laufe der Zeit ab. Das bedeutet, dass sie mit der Zeit weniger Energie speichern können und daher öfter aufgeladen werden müssen. Auch ist der Rohstoff Lithium nicht einfach zu beschaffen und die große Nachfrage nach dem Element hat Einfluss auf die Kosten: Lithium-Ionen-Batterien sind im Vergleich zu anderen Arten von Batterien relativ teuer. Momentan ist auch das Recycling noch so aufwendig, dass es billiger ist, neue Batterien zu produzieren, statt die alten wieder nutzbar zu machen. Es gibt also ausreichend Gründe, nach Alternativen zu suchen.
Wie funktioniert eine Zink-Luft-Batterie?
Wie in jeder anderen Batterie entsteht Stromfluss durch Oxidation, indem ein Element Elektronen abgibt (Anode) und ein zweites Element diese aufnimmt (Kathode).
In einer Zink-Luft-Batterie wird die elektrische Energie durch die Reaktion von Zink mit Luftsauerstoff erzeugt. Wenn die Batterie in Betrieb genommen wird, fließen Elektronen von der Zinkanode durch eine elektrolytische Lösung zu der Kathode. Die Kathode bleibt allerdings unverändert, da das Zink mit dem Luftsauerstoff zu Zinkoxid reagiert. Die Kathode benötigt nur einen geringen Platzanteil in der Batterie. Dies erlaubt es, den größten Teil der Batterie mit Zink zu befüllen, was zu einer rekordverdächtigen Energiedichte führt. Sie soll laut aktueller Forschung bei etwa 350 Wh/kg liegen.
Was sind die Stärken und Schwächen einer Zink-Luft-Batterie?
Neben der hohen Energiedichte, die sogar die von Lithium-Ionen-Akkus übertrifft, können Zink-Luft-Batterien nicht brennen und sind damit sicher im Betrieb. Auch ist das Element Zink wesentlich einfacher zu beschaffen und kann leicht recycelt werden. Zink ist also umweltfreundlicher und günstiger als Lithium.
Die größte Schwäche des neuen Batterietyps ist das Problem des Wiederaufladens. Zink-Luft-Batterien, die bisher im Einsatz waren, mussten einem Recyling-Prozess zugeführt werden. Dort werden sie komplett neu aufbereitet, um dann wieder eingesetzt werden zu können.
Was macht die Forschung?
Unterschiedliche Forschungsprojekte beschäftigen sich damit, eine Methode zu finden, Zink-Luft-Batterien in einen kontinuierlichen Entladen-Aufladen-Kreislauf zu bringen. Geforscht wird zum Beispiel am Helmholtz-Zentrum Dresden, das Zirkonium als Katalysator einsetzt, um die chemischen Prozesse innerhalb der Batterie energetisch zu optimieren. Auch die FH Münster hat in Kooperation mit den Stadtwerken Steinfurt eine Zink-Luft-Batterie entwickelt, die bislang sieben kWh Energie speichern kann...
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