Sie hat eine enorme Energiedichte. Schade, dass es die Zink-Luft-Batterie bislang nur als Einwegbatterie gibt. Jetzt wollen australische Forscher sie wiederaufladbar machen.
Es gibt sie schon lange. Bereits Thomas Alpha Edison kannte das Prinzip. In den Dreißigerjahren des vergangenen Jahrhunderts wurden Zink-Luft-Batterien erstmals kommerziell eingesetzt. Seit 1977 arbeiten sie in Hörgeräten – allerdings als Wegwerfbatterien. Ein Ärgernis. Deshalb arbeiten Forscher seit etwa dreißig Jahren verstärkt an der Aufladbarkeit. Die Erfolge hielten sich bis jetzt in Grenzen. Doch nun ist den Forschern Saeed Askari und Parama Banerjee von der Melbourner Monash University wohl ein Durchbruch gelungen.
Das Problem: Beim Aufladen der Zink-Luft-Batterien bildeten sich sogenannte Dendriten. Das sind nadelförmige Kristallstrukturen auf der Elektrode. Diese können sich so stark ausdehnen, dass sie die dünne Separatormembran, die die Elektroden voneinander trennt, durchstoßen. Es kommt dann zu Kurzschlüssen. Die Batterie funktioniert nicht mehr. Hinzu kommt: Beim Entladen der Batterie verbindet sich das Zink mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Zinkoxid. Dabei wird die gewünschte Energie frei. Allerdings muss die Spannung, um Zinkoxid beim Wiederaufladen in seinen Ausgangszustand zurück zu bringen, höher sein als die Entladespannung.
Eisen statt Platin
Die australischen Forscher lösten diese Probleme durch den Einsatz eines neuentwickelten Katalysators. Bislang wurden für diese Katalysatoren hochwertige Metalle wie Ruthenium und Platin verwendet. Askari und Banerjee nutzten hingegen eine Struktur von Kobalt- und Eisenatomen auf einem ultradünnen Kohlenstoffgerüst. Damit vermieden die Forscher aus Melbourne nicht nur die Verwendung der teuren Edelmetalle. Dank der deutlich schnelleren und effizienteren Sauerstoffreaktionen war der Eisen-Kobalt-Kataliysator auch deutlich leistungsfähiger. „Unsere Simulationen haben gezeigt, dass die Kobalt-Eisen-Atompaare in Kombination mit Stickstoff-Dotierstoffen den Ladungstransfer verbessern und die Reaktionskinetik optimieren“, sagt Askari. Dadurch werde einer der größten Engpässe bei wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterien gelöst.
Zink-Luft-Batterie mit fünffacher Energiedichte
Auch die Lebensdauer der Batterie übertraf die Erwartungen der Wissenschaftler. Der Akku lieferte zuverlässig über 74 Tage und 3553 Ladezyklen Strom. Ein Meilenstein in der Entwicklung – ebenso wie die erzielte Energiedichte. Herkömmliche Zink-Luft-Batterien weisen pro Kilogramm eine Energiedichte von 400 Wattstunden auf. Die Neuentwicklung erreicht mit 997 Wattstunden mehr als das Doppelte.
Zum Vergleich: Normale Lithium-Ionen-Batterien in E-Autos kommen in der Regel bestenfalls auf 200 Wattstunden pro Kilogramm. Anders gesagt: Sollte die Laborentwicklung der Australier die Marktreife erreichen, würde sich die Reichweite von E-Autos etwa verfünffachen.
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