Die gängigsten Batterien, die unsere Smartphones und Elektroautos antreiben, sind Lithium-Ionen-Batterien. Diese sind recht teuer, da die weltweite Nachfrage nach Lithium rasant steigt, und außerdem sind diese Batterien leicht entzündlich.
Zinkbatterien auf Wasserbasis bieten eine vielversprechende Alternative zu diesen Lithium-Ionen-Batterien. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der ETH Zürich hat nun eine Strategie ausgearbeitet, die die Entwicklung solcher Zinkbatterien entscheidend voranbringt und sie leistungsfähiger, sicherer und umweltfreundlicher macht.
Langlebigkeit ist eine Herausforderung
Zinkbatterien haben eine Reihe von Vorteilen: Zink ist reichlich vorhanden, billig und verfügt über eine ausgereifte Recycling-Infrastruktur. Darüber hinaus können Zinkbatterien eine große Menge Strom speichern. Am wichtigsten ist jedoch, dass Zinkbatterien nicht unbedingt die Verwendung von leicht entzündlichen organischen Lösungsmitteln als Elektrolytflüssigkeit erfordern, da sie stattdessen auch mit Elektrolyten auf Wasserbasis hergestellt werden können.
Wären da nur nicht die Herausforderungen, denen sich die Ingenieure bei der Entwicklung dieser Batterien stellen müssen: Wenn Zinkbatterien mit hoher Spannung geladen werden, reagiert das Wasser in der Elektrolytflüssigkeit an einer der Elektroden und bildet Wasserstoffgas. Wenn dies geschieht, schwindet die Elektrolytflüssigkeit und die Leistung der Batterie nimmt ab. Außerdem führt diese Reaktion dazu, dass sich in der Batterie ein Überdruck aufbaut, der gefährlich sein kann. Ein weiteres Problem ist die Bildung von stacheligen Zinkablagerungen während des Aufladens der Batterie, so genannten Dendriten, die die Batterie durchdringen und im schlimmsten Fall sogar einen Kurzschluss verursachen und die Batterie unbrauchbar machen können.
Salze machen Batterien giftig
In den letzten Jahren haben Ingenieure die Strategie verfolgt, den wässrigen Flüssigelektrolyten mit Salzen anzureichern, um den Wassergehalt so gering wie möglich zu halten. Doch das hat auch Nachteile: Es macht die Elektrolytflüssigkeit zähflüssig, was die Lade- und Entladevorgänge erheblich verlangsamt. Außerdem enthalten viele der verwendeten Salze Fluor, was sie giftig und umweltschädlich macht.
Maria Lukatskaya, Professorin für elektrochemische Energiesysteme an der ETH Zürich, hat nun gemeinsam mit Kollegen aus mehreren Forschungseinrichtungen in den USA und der Schweiz systematisch nach der idealen Salzkonzentration für wasserbasierte Zink-Ionen-Batterien gesucht. Mit Hilfe von Experimenten, unterstützt durch Computersimulationen, konnten die Forscher zeigen, dass die ideale Salzkonzentration nicht, wie bisher angenommen, die höchstmögliche ist, sondern eine relativ niedrige: fünf bis zehn Wassermoleküle pro positivem Salzion.
Langlebige Leistung und schnelle Aufladung
Außerdem haben die Forscher für ihre Verbesserungen keine umweltschädlichen Salze verwendet, sondern umweltfreundliche Salze der Essigsäure, die so genannten Acetate. „Mit einer idealen Konzentration von Acetaten konnten wir den Elektrolytverlust minimieren und Zinkdendriten genauso gut verhindern, wie es andere Wissenschaftler zuvor mit hohen Konzentrationen giftiger Salze getan haben“, sagt Dario Gomez Vazquez, Doktorand in Lukatskayas Gruppe und Hauptautor der Studie. „Zudem können die Batterien mit unserem Ansatz viel schneller geladen und entladen werden.“
Bislang haben die ETH-Forscher ihre neue Batteriestrategie in einem relativ kleinen Labormassstab getestet. Der nächste Schritt wird sein, den Ansatz zu vergrössern und zu sehen, ob er sich auch auf grosse Batterien übertragen lässt. Idealerweise könnten diese eines Tages als Speicher im Stromnetz eingesetzt werden, um beispielsweise Schwankungen auszugleichen, oder in den Kellern von Einfamilienhäusern, um den tagsüber produzierten Solarstrom abends zu nutzen.
Bis zur Marktreife von Zinkbatterien sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen, wie ETH-Professorin Lukatskaya erklärt: Batterien bestehen aus zwei Elektroden – der Anode und der Kathode – und der Elektrolytflüssigkeit dazwischen. „Wir haben gezeigt, dass durch die Abstimmung der Elektrolytzusammensetzung ein effizientes Aufladen von Zinkanoden ermöglicht werden kann“, sagt sie. „In Zukunft müssen jedoch auch die leistungsfähigen Kathodenmaterialien optimiert werden, um langlebige und effiziente Zinkbatterien zu realisieren.“
