Zink-Schwamm macht Akkus sicherer

Poröse Metallstrukturen legen Basis für eine leichte und günstige Alternative zu Lithiumionen-Akkus
Nickel-Zink-Batterie: Eine poröse Schwammstruktur der Zink-Anode (rechts) ermöglicht das vielfache Wiederaufladen, da keine Dendriten (links) zu Kurzschlüssen führen.
Nickel-Zink-Batterie: Eine poröse Schwammstruktur der Zink-Anode (rechts) ermöglicht das vielfache Wiederaufladen, da keine Dendriten (links) zu Kurzschlüssen führen.
© J. F. Parker et al., Science, NRL
Washington (USA) - So leistungsfähig Lithiumionen-Akkus mittlerweile sind, bergen sie je nach Verarbeitung ein Explosionsrisiko. So musste erst 2016 der koreanische Konzern Samsung eine Tablet-Baureihe wegen Überhitzungsgefahr der Akkus zurückrufen. Eine sichere Alternative schlagen nun amerikanische Wissenschaftler mit einer Renaissance der Nickel-Zink-Batterie vor, die bisher nicht mehrfach aufgeladen werden konnte. In der Fachzeitschrift „Science“ berichten sie über erste Prototypen, die sogar eine mit Lithiumionen-Akkus vergleichbare Speicherkapazität lieferten. Verantwortlich dafür war der schwammartige Aufbau der Zink-Elektrode, der eine Selbstzerstörung der Nickel-Zink-Batterien verhinderte.

„Der Schlüssel zu wieder aufladbaren Zink-Batterien liegt im kontrollierten Verhalten des Metalls während der Ladezyklen“, sagt Joseph F. Parker vom U.S. Naval Research Laboratory in Washington. Bisher enthielten diese Batterien Anoden aus Zinkpulver, in denen beim Ladeprozess längliche, scharfe Kristallstrukturen, sogenannte Dendriten, wuchsen. Diese durchstießen die Trennschicht zwischen den Elektroden und verursachten Kurzschlüsse mit der Nickel-Kathode. Daher tauschten Parker und seine Kollegen das Zinkpulver gegen einen porösen Metallschwamm aus Zink aus. Dank dieser dreidimensionalen Struktur entstanden während der Ladezyklen keine zerstörenden Dendriten mehr.

Parker und Kollegen testeten die Ladeeigenschaften mehrerer Prototypen, die aus Stapeln aus Metallelektroden und Trennmembranen, jeweils umhüllt von einem Nylonmantel, bestanden. So entluden sie eine Nickel-Zink-Batterie möglichst tief und erhielten mit mehr als 100 Wattstunden pro Kilogramm bei einer konstanten Spannung von 1,93 Volt eine spezifische Energie vergleichbar mit Werten von kommerziellen Lithiumionen-Akkus. Damit schöpfte die Batterie gut 90 Prozent seiner theoretischen Kapazität aus. Allerdings hielt der Stromspeicher dieser starken Beanspruchung nur knapp 100 Ladezyklen stand. Die Stabilität müsste auf einige tausend Ladezyklen gesteigert werden, um Lithiumionen-Akkus ersetzen zu können.

Deutlich länger hielten Nickel-Zink-Batterien, wenn sie nur zum Teil entladen wurden. Die Stabilität gipfelte in über 50.000 Ladezyklen bei einer spezifischen Energie von bis zu 40 Wattstunden pro Kilogramm. Mit diesem Wert kann sie immerhin mit herkömmlichen Bleisäure-Systemen konkurrieren, die als Starterbatterie in Autos angewandt werden. Zudem wären sie deutlich leichter als Blei-Batterien und müssten nur alle zehn Jahre ausgetauscht werden.

In weiteren Versuchen wollen Parker und Kollegen in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen EnZinc in San Anselmo das große Potenzial von wiederaufladbaren Batterien auf Zinkschwamm-Basis noch genauer überprüfen. Auch eine höhere Stabilität bei tiefer Entladung könnte erreicht werden. Gelingt dieser Schritt, lockt eine Technologie, die mit Zink und Nickel günstige und weltweit gut verfügbare Materialien nutzt, die sich zudem noch effizient recyceln lassen.

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