Die Energiewende nimmt Fahrt auf. Solar- und Windkraft liefern immer mehr Strom. Doch sie liefern ihn nicht unbedingt dann, wenn er gebraucht wird. Ohne geeignete Speicher bleibt ein Teil dieses Potenzials ungenutzt.
Eine mögliche Lösung sind wässrige Zink-Metallbatterien. Sie arbeiten mit Wasser als Elektrolyt und Zink als Anodenmaterial. Das macht sie weniger brandanfällig als Lithium-Ionen-Systeme und reduziert die Materialkosten. Vor allem für stationäre Anwendungen gelten sie deshalb seit Jahren als interessante Option. In der Praxis scheiterte ihr Einsatz jedoch oft an der begrenzten Lebensdauer.
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Die Achillesferse der Zink-Batterie
Die Schwäche zeigt sich im Betrieb. An der Zinkelektrode laufen Nebenreaktionen ab. Dabei kann Wasserstoff entstehen. Gleichzeitig lagert sich Zink nicht immer gleichmäßig ab. Statt einer glatten Oberfläche wachsen feine, verzweigte Strukturen. Diese sogenannten Dendriten können den Separator durchdringen und interne Kurzschlüsse auslösen. Die Folge: Die Batterie verliert an Leistung oder fällt komplett aus.
Forschende der University of Maryland und des Brookhaven National Laboratory setzen genau hier an. Sie verändern nicht nur die unmittelbare Umgebung der Zinkionen, sondern auch deren weitere molekulare Nachbarschaft im Elektrolyten.
Eingriff in die molekulare Umgebung
Im Zentrum steht die sogenannte sekundäre Solvatationshülle. Gemeint ist eine zweite, indirekte Wechselwirkungszone aus Molekülen, die ein Zinkion umgibt. Bisher konzentrierten sich viele Ansätze vor allem auf die direkte Bindung am Ion. Das Team verfolgt nun einen anderen Weg.
„Die zentrale Innovation dieser Arbeit besteht darin, die Einschränkungen des wässrigen Elektrolytdesigns durch die Regulierung der sekundären Solvatationsstruktur zu überwinden, wodurch alle Elektrolyteigenschaften gleichzeitig verbessert werden können“, erklärt Dr. Dejian Dong, Erstautor der Studie.
Konkret kombinieren die Forschenden Wasser mit Salzen, die fluorierte Anionen enthalten. Diese greifen in die Struktur der Solvathülle ein. Sie stabilisieren die Umgebung des Zinkions und binden gleichzeitig Wassermoleküle stärker ein. Dadurch laufen weniger unerwünschte Nebenreaktionen ab. Auch die Abscheidung von Zink verläuft gleichmäßiger.
Die Effekte lassen sich so zusammenfassen:
- stabilere Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt
- deutlich reduzierte Dendritenbildung
- weiterhin gute Ionenbeweglichkeit
- keine extrem hohen Salzkonzentrationen notwendig
Zielkonflikt entschärft
Ein bekanntes Problem früherer Ansätze: Mehr Stabilität ging oft zulasten der Leitfähigkeit. Viele Gruppen setzten deshalb auf sogenannte Wasser-in-Salz-Elektrolyte mit sehr hohen Salzanteilen.
Chunsheng Wang, leitender Autor der Studie, beschreibt die Grenzen dieses Ansatzes:
„Wir haben Wasser-in-Salz-Elektrolyte entwickelt, die das elektrochemische Stabilitätsfenster wässriger Elektrolyte auf 3,0 V erweitern […]. Allerdings erhöhen Wasser-in-Salz-Elektrolyte die Kosten und die Viskosität und verringern die Ionenleitfähigkeit. In dieser Arbeit haben wir wässrige Elektrolyte mit niedriger Konzentration entwickelt, die eine ähnliche Leistung […] aufweisen, dabei aber eine niedrige Viskosität, niedrige Kosten und eine hohe Leitfähigkeit bieten.“
Der neue Ansatz umgeht diesen Zielkonflikt zumindest im Labormaßstab.
Leistungsdaten im Vergleich
Die getesteten Zellen erreichen über mehr als 1000 Ladezyklen eine coulombische Effizienz von 99,99 %. Die Energiedichte liegt bei bis zu 130 Wh/kg. Damit bleiben sie unter klassischen Lithium-Ionen-Akkus. Für stationäre Anwendungen, bei denen Gewicht eine untergeordnete Rolle spielt, ist dieser Wert jedoch ausreichend.
Perspektive für den Einsatz im Stromnetz
Für den Einsatz im Netz zählen vor allem drei Faktoren: Kosten, Sicherheit und Lebensdauer. Genau in diesen Punkten könnten Zink-Batterien aufholen. Sie eignen sich insbesondere für große, stationäre Speicher, etwa zur Zwischenspeicherung von Solar- und Windstrom.
Offen ist jedoch, ob sich die Ergebnisse aus dem Labor in die Praxis übertragen lassen. Entscheidend wird sein, ob die Elektrolyte auch in größeren Zellen stabil bleiben und sich wirtschaftlich herstellen lassen. Zudem fehlen bisher Langzeittests unter realen Betriebsbedingungen.
Das Forschungsteam arbeitet bereits an der nächsten Stufe. Es will das Konzept auf weitere Elektrolytsysteme übertragen und die Prozesse an den Grenzflächen genauer untersuchen. Ob daraus eine marktfähige Technologie entsteht, hängt nun weniger von der Chemie im Labor ab als von der Umsetzung im industriellen Maßstab.
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