Leistungsstark, umweltfreundlich, sicher, kostengünstig und über etliche Ladezyklen hinweg stabil: Das würde man sich von einer idealen Batterie wünschen. Die aktuell am weitesten verbreiteten Lithium-Ionen-Akkumulatoren besitzen nur einige dieser Eigenschaften. Deutlich attraktiver wäre dagegen die Zink-Luft-Batterie – doch bisher kämpften die Technologie mit einem entscheidenden Problemen: sie ist hochgradig chemisch instabil. Parasitäre Reaktionen, hervorgerufen durch den alkalischen Elektrolyten, führten zu elektrochemisch irreversiblen Schäden.
Stabil über hunderte Zyklen hinweg
Nun aber hat ein Team um Wei Sun von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster eine mögliche Lösung entdeckt: Mit einem nicht-alkalischen, wässrigen Elektrolyten haben die Forscher eine neuartige Batteriechemie für die Zink-Luft-Batterie entwickelt, die ihre bisherigen technischen Schwächen überwindet. Die detaillierten Ergebnisse des internationalen Forschungsprojekts haben die Wissenschafter im Fachmagazin "Science" veröffentlicht.
"Unser innovativer, nicht-alkalischer Elektrolyt bringt eine bisher unbekannte reversible Zink-Peroxid ZnO2/O2-Chemie für die Zink-Luft-Batterie mit sich", erläutert Wei Sun vom MEET Batterieforschungszentrum. Im Vergleich zu den konventionellen, stark alkalischen Elektrolyten hat der auf dem Salz des Zink-Trifluormethansulfonats basierende wässrige Elektrolyt mehrere entscheidende Vorteile: Durch eine höhere chemische Stabilität und elektrochemische Reversibilität wird die Zink-Anode effizienter genutzt. Dadurch können die Zink-Luft-Batterien 320 Zyklen und 1.600 Stunden in der Umgebung stabil betrieben werden.
Mögliche Konkurrenz zur Lithium-Ionen-Batterie
Der Einfluss der ZnO2/O2-Batteriechemie und die Rolle des hydrophoben Trifluormethansulfonat-Anions haben die Forscher mithilfe elektrochemischer, analytischer Techniken und Multiskalensimulationen systematisch untersucht. Die dabei identifizierte erhöhte Energiedichte hat nun das Potenzial, mit der marktbeherrschenden Lithium-Ionen-Batterie mitzuhalten.
"Aufgrund ihrer Vorteile wie Umweltfreundlichkeit, hoher Sicherheit und niedriger Kosten stellt die Zink-Luft-Batterie eine potenzielle alternative Batterietechnologie dar", betont Wei Sun. "Vor ihrer praktischen Anwendung bedarf diese Technologie jedoch noch weiterer, intensiver Forschung und Optimierung". (red, 7.1.2021)