Zink-Luft-Batterien: Funktionsweise & Perspektiven

Zink-Luft-Batterien können eine nachhaltige Alternative zu heutigen Blei- und Lithium-Stromspeichern darstellen. Sie sind günstig - ihre Herstellungskosten betragen rund 10€ pro kWh - ihre Hauptressourcen sind im Übermaß und gut abbaubar vorhanden und können überdies zu 98% recycelt werden. Zink-Luft-Batterien werden häufig als Knopfzellen in Hörgeräten eingesetzt. Forscher und Unternehmen arbeiten jedoch daran, Zink-Luft-Akkus auch in größerem Maßstab zu entwickeln und häufiger wiederaufladbar zu machen.

Zink reagiert mit Sauerstoff und setzt dabei Energie frei. Der Zink befindet sich in der Zelle, der Sauerstoff in der Luft gelangt durch die durchlässige Elektrode hinein. Dass sich lediglich ein Reaktionspartner in der Zelle befindet, hat den Vorteil, dass im Vergleich zum gängigen Lithium-Ionen-Akkumulator höhere Energiedichten möglich sind.

Damit man die Zelle aber wieder aufladen kann, ist ein wässriger alkalischer Elektrolyt und eine bifunktionale Gasdiffusionselektrode oder eine separate Ladeelektrode nötig, die eine Oxidation der entstehenden Hydroxidionen ermöglicht.

Nach etwa 10 Jahren (Stand 2019) ist der Kapazitätsverlust zu groß, sodass die Zelle für den Speichergebrauch als defekt gewertet wird. Dann besteht jedoch die Möglichkeit, das verwendete Elektrolyt als Kalilauge weiterzuverkaufen. Denn die Industrie kann sie zum Neutralisieren chemischer Abwässer, die häufig sauer sind, einsetzen.

Bisher kamen Zink-Luft-Batterien vor Allem als mobile und nicht wiederaufladbare Minispeicher in Hörgeräten zum Einsatz. Dies lag daran, dass bei der Reaktion des Zinkmetalls mit Luftsauerstoff Zinkoxid entsteht. Dieses Zinkoxid muss bei der Wiederaufladung einer Zink-Luft-Batterie reduziert und wieder in metallisches Zink umgewandelt werden.

Bisher ist dieser Prozess häufig mit kristallförmigen Ablagerungen verbunden, was zu Kurzschlüssen führt. Prof. Dr. Monika Willert-Porada von der Uni Bayreuth untersuchte daher in einem Forschungsvorhaben, wie man die Reduktion des Zinkoxids so gestalten kann, dass die Funktionstüchtigkeit der Batterien dadurch nicht beeinträchtigt wird.

Ein weiteres Problem, das Forscher noch lösen müssen, ist die Optimierung des Elektrolytenmanagements. Denn für einen optimalen Ablauf darf die Elektrolyt-Konzentration in den Zellen nicht zu hoch sein. Hieran forschen u.a. Wissenschaftler der FH Münster.

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