Sichere Zink-Ionen-Batterien – Das ist möglich

Der Bedarf an Energiespeichern steigt. Lithium-Ionen-Akkus haben sich zwar bewährt. Allerdings ist Lithium als Rohstoff teuer, und die Ressourcen sind ungleich über verschiedene Länder verteilt. Deshalb gewinnen Zink-Ionen-Batterien bei Ingenieuren an Aufmerksamkeit. Sie bestehen aus metallischem Zink als Anode, Materialien, die Zinkionen einlagern können, als Kathode und einer wässrigen Zinksalz-Lösung als Elektrolyten.

Die Ausgangsstoffe sind preisgünstig und in großer Menge verfügbar. Zudem werden keine speziellen Elektrolyten verwendet, was die Herstellung vereinfacht. Dennoch blieb die Gefahr, dass es zu Bränden oder Explosionen aufgrund eines Kurzschlusses zwischen Elektroden kommen könnte.

Batterie voll oder leer? Dieser Trick zeigt es in Sekunden

Ingenieuren am Korea Institute of Science and Technology in Seoul, Südkorea, ist es gelungen, eine Batterie zu entwickeln, die sicher genug ist, um sie etwa bei Wearables am Körper zu tragen. Sie unterdrücken die Bildung faserförmiger Kristalle, sogenannter Dendriten, elektrochemisch.

Dendriten-Bildung – ein bekanntes Problem der Elektrochemie

Zum Hintergrund: Zink-Ionen-Batterien haben Anoden aus metallischem Zink. Im wässrigen Milieu kommt es regelmäßig zur Korrosion. Einerseits wandern Zinkionen aus der Lösung an die Metalloberfläche und werden dort adsorbiert. Andererseits bilden sich bei der Reduktion von Zinkionen Kristalle aus metallischem Zink in Form sogenannter Dendriten. Das sind baumartige, weit verzweigte Strukturen. Wachsen Dendriten weiter, kommt es zum Kurzschluss zwischen beiden Elektroden, und der Wirkungsgrad verringert sich. Diese spezielle Form der Kristallbildung verkürzt nicht nur die Lebensdauer der Batterie, sondern kann auch zu einem Brand oder einer Explosion führen.

Bisherige Ansätze, die Dendriten-Bildung zu unterdrücken, etwa mit chemischen Komplexbildnern, mit Oberflächen-Beschichtungen oder mit Veränderungen der Geometrie von Elektroden, brachten nicht den gewünschten Erfolg. Manche Verfahren waren schlichtweg zu teuer oder zu aufwändig für Anwendungen in der Praxis.

Kontrolle der Oberfläche über den Stromfluss

Joong-Kee Lee vom Korea Institute of Science and Technology ist der Durchbruch mit einer anderen Strategie gelungen. Er entwickelte eine Methode zur periodischen Anodisierung. Das heißt, der Stromfluss wird auf der Oberfläche einer Metallelektrode in kurzen Abständen an- und abgeschaltet. Über diesen Weg steuerte Lee die Beschaffenheit des oberflächennahen Zinkoxid-Films und des metallischen Zinks. Details zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme aus Lees Labor. Es bilden sich pyramidenartige Strukturen aus metallischem Zink (Zn), die von Zinkoxid (ZnO) bedeckt sind.

Das Entscheidende daran: Zinkoxid bildet an der Spitze solcher Strukturen eine dickere Schicht als an der Basis. Die Variation der Dicke führt dazu, dass sich das Zinkmetall vermehrt seitlich unten bildet, wo weniger schützendes Zinkoxid vorhanden ist. Durch elektrochemische Reduktion neu entstandenes Zink wächst horizontal und bildet keine störenden dendritischen Kristalle mehr. Zinkoxid hat aber noch einen weiteren Vorteil. Es blockiert den direkten Kontakt zwischen Elektrode und Elektrolyt. Die Korrosion läuft deutlich langsamer ab als in Zellen ohne spezielle Vorbehandlungen.

Erfolgreiche Tests im Labor

Nach ersten Experimenten bauten Lee und Kollegen eine Zink-Ionen-Batterie, um sie verschiedenen Leistungstests zu unterziehen. Ihre Kapazität blieb nach 1.000 Zyklen fast unverändert bei 100%, obwohl sie wiederholt unter extremen Bedingungen geladen und entladen wurde. Das weise auf eine hohe ihre strukturelle und elektrochemische Stabilität hin, erklärt Lee.

Er rechnet damit, dass sich seine Hochleistungs-Zink-Ionen-Batterie aufgrund ihrer ausgezeichneten elektrochemischen Leistung und ihrer Sicherheit für zahlreiche Anwendungen eignen werde. Da keine Explosions- oder Brandgefahr bestehe, könnten Anwender diese auch am Körper tragen. Im nächsten Schritt wollen die Ingenieure an einer Zink-Ionen-Batterie in Form flexibler Fasern arbeiten. Sie ließe sich nicht nur leicht biegen, sondern kann auch in Kleidung oder in eine Tasche eingearbeitet werden.

Ein langer Weg

Das Grundprinzip von Zink-Ionen-Batterien ist lange bekannt. Im Jahr 2011 stellte Feiyu Kang von der University Town of Shenzhen erstmals Anoden aus Mangandioxid mit speziellen Tunnelstrukturen vor. Auch Kupferhexacyanoferrat ist schon eingehend untersucht worden. 2017 kündigten die Forscher einen weiteren Prototyp einer Zink-Ionen-Batterie ohne Dendritenbildung an. Sie arbeiteten mit einer Zink-Metall-Anode, einer Vanadiumoxid-Kathode und einen wässrigen Elektrolyten mit Zinkionen. Nach 1.000 Zyklen behielt ihr Prototyp 80% seiner Kapazität. Über eine Kommerzialisierung ist jedoch nichts bekannt.

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