Batterien: Zink macht Lithium Konkurrenz
Batterien sind ein gefragtes Gut. Sie sollen ein wichtiger Baustein der Energiewende sein. Denn ohne Speicher sind Sonnen- und Windstrom nur halb so sinnvoll und nützlich. ETH-Forschende haben nun einen Weg gefunden, Zink-Batterien leistungsfähig und umweltfreundlich zu gestalten
Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien in Arbeit: Forschende haben neue Erkenntnisse zu Zink-Batterien gewonnen.
Foto: Grafik ETH Zürich / Xin Zou
Aktuell sind Lithium-Ionen-Batterien in der Regel das Mittel der Wahl. Man findet sie in Smartphones und Elektroautos sowie zahlreichen weiteren Anwendungen und Geräten. Sie haben allerdings zwei besondere Nachteile: Da Lithium als Rohstoff derzeit stark gefragt ist, steigen die Preise dafür. Das macht die Produktion solcher Batterien natürlich teuer. Darüber hinaus sind diese Batterien aber auch leicht entflammbar, was ihre Handhabe einschränkt oder schwieriger gestaltet. Es wird deshalb in der Forschung nach möglichen Alternativen gesucht.
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Einem internationalen Team unter der Leitung der ETH Zürich ist es nun gelungen, eine vielversprechende Alternative zu entwickeln: wasserbasierte Zink-Batterien. Diese hat das Team sogar dahingehend weiterentwickelt, dass sie nicht nur kostengünstig herzustellen sind, sondern sogar leistungsfähiger, sicherer und umweltfreundlicher.
Zink-Batterien haben im Vergleich Lithium etliche Vorzüge
Der Rohstoff Zink hat gegenüber Lithium schon den entscheidenden Vorteil, dass er in ausreichender Form vorhanden ist und deshalb günstig im Einkauf. Doch nicht nur das, Zink lässt sich sogar recyceln, sodass es weiter genutzt werden kann. Nach Angaben der Forschenden gebe es weltweit eine gut ausgebaute Zink-Recycling-Infrastruktur. Genau wie Lithium-Ionen-Akkus seien auch Zink-Batterien in der Lage, viel Strom zu speichern. Dafür benötigten sie Elektrolytflüssigkeiten, die auf Wasser basieren. Das mache sie im Vergleich zu Lithium-Batterien umweltfreundlicher. Denn diese bräuchten organische Lösungsmittel, die einerseits leicht entflammbar und andererseits meistens gesundheits- und umweltschädlich sind.
Bei all den Vorteilen haben Zink-Batterien allerdings auch einen Nachteil: Lädt man sie mit hoher Spannung, reagiert die wässrige Elektrolytflüssigkeit an einer der Elektroden zu gasförmigem Wasserstoff. Das beeinträchtigt einerseits die Leistungsfähigkeit der Batterie und andererseits entsteht durch diese Reaktion ein Überdruck, der durchaus gefährlich werden kann. Darüber hinaus kann es passieren, dass beim Aufladen der Batterie sogenannte Dendriten entstehen. Das sind Zinkablagerungen, die meistens in der Form vergleichbar mit Nadeln sind. Sie können im schlimmsten Fall einen Kurzschluss zur Folge haben, wodurch die Batterie komplett unbrauchbar würde.
Zink-Batterien am leistungsfähigsten mit wenig Salzen
Da diese Nachteile vor allem durch den Wasseranteil in den Zink-Batterien entstehen, hat man versucht, diesen möglichst gering zu halten. Das gelingt vor allem durch den Einsatz von Salzen. Sie lassen die Elektrolytflüssigkeit zu einer eher zähen Masse werden. Die Folge: Sowohl das Auf- als auch das Entladen einer Batterie wird deutlich langsamer. Hinzu kommt, dass hauptsächlich Fluor als Salze verwendet werden. Diese sind giftig und schädigen die Umwelt. Ein Forscherteam hat nun anhand von Experimenten und Computersimulationen herausgefunden, dass gar nicht unbedingt eine möglichst hohe Konzentration Salz von Vorteil für eine wasserbasierte Zink-Ionen-Batterie ist, sondern eher eine geringe. Optimal sei eine zwischen fünf bis zehn Wassermoleküle pro positiv geladenem Salz-Ion.
Statt umweltschädlicher Salze verwendeten die Forschenden umweltfreundliche: zum Beispiel Azetate, also Salze der Essigsäure. Damit gelang es, diese Bildung der sogenannten Dendriten zu vermeiden und auch die Leistungsminderung durch den Elektrolytschwund zu reduzieren. Stolz sind die Forschenden auch auf das Ergebnis, weil sich die Batterien mit dieser neuen Zusammensetzung deutlich schneller laden und entladen ließen.
Bis zur Marktreife der Zink-Batterien weitere Forschung notwendig
Die ersten Tests erfolgten im verhältnismäßig kleinen Labor-Maßstab. Im nächsten Schritt soll der Ansatz hochskaliert werden. Damit wollen die Forschenden herausfinden, ob sich die Batterien nach ihrem Schema auch in den benötigten Größen herstellen lassen. Das wären dann, wie eingangs erwähnt, Speicher, die Schwankungen im Stromnetz ausgleichen sollen und solche, die in beispielsweise Einfamilienhäusern den Strom der Solaranlage speichern und diesen abends zur Nutzung zur Verfügung stellen.
Bis zur Marktreife ist es allerdings noch ein Stückchen hin. „Wir konnten zeigen, dass man durch das Optimieren der Elektrolytflüssigkeit die Zink-Anode effizienter aufladen kann“, erklärt Maria Lukatskaya, Professorin für elektrochemische Energiesysteme an der ETH Zürich und maßgeblich beteiligt an der Forschung zu den Zink-Batterien. „In Zukunft wird man jedoch auch noch die Kathoden-Materialien optimieren müssen, um langlebige und effiziente Zink-Batterien zu erhalten.“
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