Brandgefahr bei Lithium-Akkus: Diese Batterie aus Zink und Kevlar brennt nicht
Wenn Lithium-Ionen-Akkus Feuer fangen, hilft oft nur noch die Feuerwehr. US-Forscher haben eine Batterie entwickelt, bei der das unmöglich ist.
Wenn ein Lithium-Ionen-Akku thermisch durchgeht, sind die Flammen kaum zu kontrollieren. US-Forscher haben eine Zink-Batterie entwickelt, bei der das bauartbedingt nicht passieren kann.
Foto: picture alliance/KEYSTONE | CHRISTIAN MERZ
Es ist ein Szenario, das Betreiber von Batteriespeichern fürchten: Eine Lithium-Ionen-Zelle überhitzt, der Elektrolyt entzündet sich, die Flammen greifen auf benachbarte Zellen über. Solche Vorfälle sind selten, aber bei großen Speicheranlagen für Wind- und Solarstrom kaum zu kontrollieren.
Ein Team der Florida State University hat jetzt eine Batterie vorgestellt, bei der Brände bauartbedingt unmöglich sind. Sie nutzt Zink statt Lithium, wird auf Wasserbasis hergestellt und enthält das Material, das auch in Schutzwesten steckt: Kevlar.
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Warum Lithium-Akkus brennen (und Zink-Batterien nicht)
Grund für das Brandrisiko von Lithium-Ionen-Akkus ist ihr Elektrolyt. Seine Aufgabe ist es, Ionen zwischen Anode und Kathode zu transportieren. In der Regel nutzen Lithium-Akkus dafür organische Lösungsmittel, und die sind brennbar.
Kommt es durch einen Defekt, eine Überladung oder mechanische Beschädigung zum Kurzschluss, erhitzt sich die Zelle. Ab einer bestimmten Temperatur zersetzt sich der Elektrolyt, setzt Gase frei und entzündet sich. In einer Speicheranlage mit tausenden dicht gepackten Zellen kann sich das Feuer dann kaskadenartig von Zelle zu Zelle ausbreiten.
Zink-Ionen-Batterien umgehen dieses Problem mit wasserbasierten Elektrolyten. Dass Wasser nicht brennbar ist, dürfte Allgemeinwissen sein. Zudem ist Zink relativ günstig, reichlich verfügbar und ungiftig. Deshalb forschen weltweit Teams an Zink-Ionen-Zellen als Alternative für stationäre Speicher. Durchgesetzt hat sich die Lithium-Alternative aber noch nicht, denn in Zink-Batterien bilden sich Dendriten.
Kevlar gegen Kurzschlüsse
Dendriten sind winzige, nadelförmige Zinkstrukturen, die beim Laden einer Batterie an der Anode entstehen. Das Problem: Irgendwann durchstoßen sie die Trennschicht zwischen den Elektroden und verursachen einen Kurzschluss. Die Batterie ist hin.
Das Team um Professor Petru Andrei und Doktorand Peng Wang setzt hier an. Die Forscher aus Florida haben ein Hydrogel entwickelt, das aus Polyvinylalkohol und Aramid-Nanofasern besteht – also dem gleichen Material, aus dem man Kevlar produziert. Dieses Gel übernimmt gleich zwei Aufgaben:
- Es verhindert ein Auslaufen des wässrigen Elektrolyten, indem es ihn in der Gel-Struktur fixiert.
- Es blockiert die Dendriten-Bildung auf mechanische Weise, fast wie ein Netz, das die Nadeln nicht durchlässt.
Die Montage der Zelle sei ungewöhnlich einfach, berichtet Andrei in einer Pressemitteilung vom 9. April: Da der gesamte Prozess wasserbasiert ablaufe, entfielen gleich mehrere Fertigungsschritte, die bei Lithium-Ionen-Akkus Standard seien. Das senke nicht nur die Kosten, sondern auch das Sicherheitsrisiko in der Produktion – denn brennbare Lösungsmittel kämen erst gar nicht zum Einsatz.
900 Zyklen ohne Leistungsverlust
Im Labortest überstand der Prototyp nach Angaben der Forscher 900 schnelle Lade- und Entladezyklen nahezu ohne Kapazitätsverlust. Zum Einordnen: Ein typischer Smartphone-Akku schafft rund 800 Zyklen, bevor die Leistung spürbar nachlässt. Für den Einsatz in Netzspeichern wäre das allerdings zu wenig. Kommerzielle Lithium-Ionen-Systeme erreichen dort mehrere Tausend Zyklen, Redox-Flow-Batterien sogar über 10.000.
Erwähnenswert ist das Herstellungsverfahren: Bei konventionellen Lithium-Ionen-Akkus werden Elektrodenmaterialien zu einer Paste verrührt, auf Metallfolien aufgetragen und in Öfen getrocknet. Dieses „Slurry Mixing“ erfordert teure Anlagen und strenge Qualitätskontrollen. Bei der Zink-Batterie der Florida State University entfällt das, denn die Kathode aus Mangandioxid muss nicht separat hergestellt und eingesetzt werden. Stattdessen bildet sie sich von selbst, wenn Strom durch die Zelle fließt.
Foto: Scott Holstein/FAMU-FSU College of Engineering
Warum Zink das Lithium nicht ersetzen wird
Wer denkt, Zink-Ionen-Akkus könnten Lithium bald obsolet machen, liegt vermutlich falsch. Aufgrund einer geringeren Energiedichte eignen sie sich nicht für Smartphones, Laptops oder E-Autos. Das Handy der Zukunft wird wohl weiterhin mit Lithium laufen.
Das Potenzial der kevlarverstärkten Zink-Batterie liegt in stationären Speichern für Wind- und Solarstrom und in Heimspeichersystemen. „Ich sehe diese Technologie in Anwendungen, bei denen Sicherheit und lange Lebensdauer wichtiger sind als hohe Energiedichte“, so Andrei. „Also bei Netzspeichern, Heimspeichern und großen Backup-Systemen.“ Mit anderen Worten: In Anwendungen, bei denen ein plötzlicher Brand besonders ernste Folgen hätte.
Damit konkurriert die Zink-Ionen-Batterie weniger mit Lithium als mit anderen Newcomer-Technologien für stationäre Speicher wie Natrium-Ionen-Batterien oder Redox-Flow-Systemen. Eine Gegenüberstellung der Ansätze zeigt, wie stark sie sich unterscheiden.
| Speichertechnologien im Vergleich | Lithium-Ionen | Natrium-Ionen | Zink-Ionen | Redox-Flow (Vanadium) |
| Energiedichte | 150–250 Wh/kg | 100–160 Wh/kg | 50–80 Wh/kg | 25–35 Wh/L (System) |
| Lebensdauer | 1.000–5.000 Zyklen | 3.000–6.000 Zyklen | 900 Zyklen (Labor) | >10.000 Zyklen |
| Brandgefahr | Ja (organischer Elektrolyt) | Bedingt (therm. Durchgehen möglich) | Nein (wässriger Elektrolyt) | Nein (wässriger Elektrolyt) |
| Kritische Rohstoffe | Lithium, Kobalt, Nickel | Keine | Keine | Vanadium (begrenzt verfügbar) |
| Marktreife | Kommerziell (Massenmarkt) | Erste Serienproduktion (China) | Laborprototyp | Kommerziell (Nische) |
| Zielanwendung | Mobil + stationär | Stationär, günstige E-Autos | Stationär (Netz, Heim) | Stationär (Langzeit, 6+ Std.) |
Quellen: DLR, Fraunhofer, Florida State University, Batterieforum Deutschland. Werte sind Richtwerte und können je nach Zellchemie und Bauart variieren.
Wie ist es bei den Alternativen?
Natrium-Ionen-Batterien sind zum Teil schon im Einsatz. In China läuft ein stationärer Speicher mit 50 MW Leistung. Auch in den USA und in Deutschland wird an Natrium geforscht; deutsche Batterien erzielten dabei kürzlich eine Rekordeffizienz. Redox-Flow-Systeme gelten als sehr langlebig und lassen sich unabhängig von Leistung und Kapazität skalieren; im chinesischen Dalian ist etwa eine Anlage mit 175 MW in Betrieb. Zink-Ionen sind im Vergleich dazu am wenigsten weit entwickelt, bieten mit ihrem wässrigen Elektrolyten aber einen Pluspunkt in puncto Sicherheit.
Hydrogele spielen übrigens auch in anderen Teilen der Batterieforschung eine Rolle. Anfang des Jahres stellten Forscher der Penn State University eine Hydrogel-Batterie nach dem Vorbild von Zitteraalen vor. Diese ist ebenfalls auf Wasserbasis konzipiert, wird aber für völlig andere Anwendungen wie medizinische Implantate genutzt.
Neben Zink-Ionen-Zellen wird an deutschen Hochschulen auch an Zink-Luft-Batterien gearbeitet, bei denen Sauerstoff aus der Umgebungsluft als Reaktionspartner dient.
Marktreife? Noch weit weg
Noch sind weder Industriepartner noch marktreife Zink-Batterien aus Florida in Sicht. Auch die 900 Ladezyklen, von denen das Team im April 2025 im Fachjournal ACS Omega berichtete, wurden unter Laborbedingungen gemessen. Also nicht im rauen Alltag eines Stromnetzes.
Trotzdem spiegelt die Meldung den globalen Forschungstrend zu alternativen Speichertechnologien auf Basis günstiger Rohstoffe wider. Zink steht auf Platz 24 der häufigsten Elemente in der Erdkruste und wird weltweit abgebaut, auch in Europa. Wenn die Energiewende die Speicherkapazitäten braucht, die Experten vorhersagen, werden Lithium-Ionen-Akkus allein nicht reichen. Und Bilder wie das am Anfang dieses Artikels sollten dann der Vergangenheit angehören.
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