Forschung Energiespeicher 03.06.2020, 09:26 Uhr

Besser als Lithium-Ionen-Akkus: Sind Zink-Luft-Akkus die Zukunft der Batterien?

Ob Laptop, Smartphone oder Elektroauto: Die Lithium-Ionen-Batterie ist derzeit die vorherrschende Akku-Technologie. Trotz der vielen Vorteile besitzt der in den 1970er Jahren entwickelte Akku seine Grenzen. Mit dem Zink-Luft-Akku steht das nächste System bereits in der Startlöchern und könnte den Lithium-Ionen-Akku bereits in wenigen Jahren ersetzen.

Batterien

An Energiespeichern wird stetig geforscht.

Foto: panthermedia.net/phortcach (YAYMicro)

Lithium-Ionen-Akku und Zink-Luft-Akku im Vergleich

Zink-Luft-Batterien sind an sich keine Neuheit, bei vielen kleineren Einwegbatterien, aber auch bei Geräten, die einen unterbrechungsfreien Stromfluss benötigen, kommen vereinzelt diese Akkuformen zum Einsatz. Anders als Lithium-Ionen-Akkus ist die Herstellung von Zink-Luft-Akkus ressourcenschonend, denn alle verwendeten Rohstoffe sind im Überfluss verfügbar und können sehr leicht und kostenschonend abgebaut werden. Ein Zink-Luft-Akku kann sogar zu 98 % recycelt werden und die Herstellungskosten liegen mit rund zehn Euro pro Kilowattstunde sehr niedrig. Entsprechend reizvoll ist eine Weiterentwicklung für Wirtschaft und Wissenschaft, denn diese Akkuform besitzt das Potenzial, Energie grüner und günstiger zu speichern als bisherige Systeme.

Zudem besitzt ein Zink-Luft-Akku viele Vorteile und die haben etwas mit der Funktionsweise zu tun. Die primäre Reaktion der Elektronenfreisetzung benötigt ausreichend Sauerstoff, dafür ist etwas Spielraum erforderlich, um den Sauerstoff wirklich an die Reaktionsfläche zu bringen. Das mag zunächst nach einem kleinen Nachteil klingen, doch es bedeutet auch, dass sich Zink-Luft-Akkus in einem sauerstoffleeren Umfeld nicht entladen können. Richtig gelagert ist eine volle Ladung bis zu zehn Jahre lang möglich.

Auch die elektrische Kapazität ist deutlich höher als die einer Lithium-Ionen-Batterie, rund drei mal so viel Ladekapazität lässt sich auf gleichem Raum lagern. Das ist besonders für Elektrofahrzeuge wichtig, da deren Reichweite von Kritikern als essentielles Manko gesehen wird. Die Kombination aus geringem Gewicht und hoher Ladung ist hier so entscheidend, um Elektromobilität auch über weite Strecken zu ermöglichen.

Weder Lazy-Battery-Effekt noch Memory-Effekt treten bei Zink-Luft-Akkus auf. Der Memory-Effekt beschreibt einen Kapazitätsverlust bei häufiger Teilentladung, hier haben Lithium-Ionen-Akkus im Vergleich zum davor vorherrschenden Nickel-Cadmium-Akku bereits einen enormen Leistungsprung geboten, der Zink-Luft-Akku ist hier der nächste konsequente Entwicklungsschritt. Auch vom Lazy-Battery-Effekt, einem Spannungsverlust über die Entladezeit, sind diese Akkumulatoren frei.

Die Funktionsweise von Zink-Luft-Batterien

Bei der Entladung reagiert der Zink in der Zelle mit dem Sauerstoff aus der Luft. Dieser trifft die Zelle durch eine durchlässige Elektrode hinweg. Mit nur einem Reaktionspartner in der Zelle ermöglicht eine Zink-Luft-Batterie eine höhere Energiedichte als vergleichbare Akkus. Dies hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Bei der Reaktion entsteht als Abfallprodukt Zinkoxid, welches zur erneuten Ladung reduziert und zurück in Zink umgewandelt werden müsste. Die entstehenden kristallinen Ablagerungen können zu Kurzschlüssen führen. Es gibt verschiedene Forschungsansätze, die sich genau mit dieser Problematik beschäftigen.

An der Uni Bayreuth versucht man etwa, eine Reduktion des Zinkoxids in die Akkumulatoren einzuarbeiten, ohne deren Funktionsweise zu beeinträchtigen. Einen anderen Ansatz verfolgt das kanadische Unternehmen Zinc8, für den die Nordamerikaner bereits von der New York Power Authority ausgezeichnet wurden.

Der Forschungsstand und die Erkenntnisse von Zinc8

Ein kanadisches Unternehmen namens Zinc8 arbeitet derzeit mit Hochdruck daran, die nächste Generation der Zink-Luft-Akkus zu entwickeln, um die Lithium-Ionen-Technologie größtenteils obsolet zu machen.

Über eine Entwicklungszeit von insgesamt 14 Jahren hat das Unternehmen 84 Millionen US-Dollar investiert, um die Bildung der kristallenen Zinkrückstände an der Batterie zu unterbinden. Im Blickpunkt der Forschung steht üblicherweise der Einsatz eines Elektrolyts, um die Zinkrückstände (das Dendrit) zu entfernen. Zinc8 hingegen entwickelte einen Prozess, der das Dendrit nicht entfernt, sondern großflächige Partikel bildet. Diese können daraufhin wieder im Akku gelagert werden, so dass eine Nutzung als wiederaufladbarer Akku mit hoher Ladekapazität problemlos möglich ist. Allerdings sind bis dahin nicht nur noch mehrere Jahre Entwicklungszeit notwendig, auch die benötigten Lizenzen und Sicherheitsabnahmen brauchen ihre Zeit. Selbst Zinc8 rechnet mit einer ersten kommerziellen Nutzung erst ab 2023.

Dafür haben die Kanadier gleich mehrere Vorteile, die ihnen in die Karten spielen. Da wäre zum einen die Unterstützung der New York Power Authority und die Kooperation beim Bau eines Prototypen, der die lange Haltbarkeit der Ladung demonstrieren soll, aber auch die Konkurrenz. Denn bei der langfristigen Lagerung von Energie herrscht derzeit klaffende Leere am Markt.

Die Zukunft von Zink-Luft-Akkus

Natürlich gibt es derzeit bereits Zink-Luft-Akkus im Einsatz, in Hörgeräten beispielsweise. Doch hierbei handelt es sich um Primärzellen, die nicht wiederaufladbar sind. Doch mit weiteren Entwicklungsstufen könnte die Zink-Luft-Technologie endlich den nächsten Schritt machen. Das bedeutet, dass diese Akkuform auch in größeren Geräten wie Tablets und Laptops zum Einsatz kommen könnte und sogar interessant wird für eine großflächige Nutzung als Speicher im Stromnetz.

All das setzt derzeit noch Jahre der Forschung voraus, doch die Vorteile sind greifbar. So sind Zink-Luft-Akkus nicht nur deutlich energieeffizienter als Lithium-Ionen-Akkus, sie sind vor allem umweltschonender. Denn sowohl Herstellung als auch Recycling der Lithium-Ionen-Batterien sind umweltbelastend, denn die Akkus sind schwer zu recyceln und der bloße Materialwert deckt die Recyclingkosten nicht. Das ist bei Zink-Luft-Akkus anders, denn die können sehr einfach und sehr effizient nahezu vollständig recycelt werden, auch eine Produktion ließe sich ohne größere Probleme vom Abbau bis zur fertigen Batterie in Deutschland durchführen.

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