Fortschritte bei alternativer Batterietechnik

Billige und leistungsf?hige Batterien braucht die Welt. Sie sollen nachhaltig produzierten Strom speichern, damit er uns auch dann zur Verf¨¹gung steht, wenn kein Wind weht und die Sonne nicht scheint. Lithium-Ionen-Batterien, die unsere Smartphones und Elektroautos betreiben, sind recht teuer, denn es gibt einen weltweiten Run auf den Rohstoff Lithium. Ausserdem sind diese Batterien leicht entflammbar.

Eine vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien sind wasserbasierte Zink-Batterien. Ein internationales Team von Forschenden unter Leitung der ETH Z¨¹rich hat nun eine Strategie erarbeitet, welche die Entwicklung von solchen Zink-Batterien entschieden weiterbringt, sie leistungsf?higer, sicherer und umweltfreundlicher macht.

Herausforderung Langlebigkeit

Zink-Batterien haben ein paar Vorteile: Zink ist reichlich vorhanden, billig und l?sst sich einfach rezyklieren, denn es existiert weltweit eine gut ausgebaute Zink-Recycling-Infrastruktur. Ausserdem l?sst sich in Zink-Batterien viel Strom speichern. Und vor allem ben?tigen Zink-Batterien als Elektrolytfl¨¹ssigkeit nicht unbedingt organische L?sungsmittel, die leicht entflammbar sind. Stattdessen k?nnen auch Elektrolytfl¨¹ssigkeiten verwendet werden, die auf Wasser basieren.

W?ren da bloss nicht einige Probleme, mit denen Ingenieur:innen bei der Entwicklung dieser Batterien zu k?mpfen haben: Werden Zink-Batterien mit hoher Spannung geladen, reagiert die w?ssrige Elektrolytfl¨¹ssigkeit an einer der Elektroden zu gasf?rmigem Wasserstoff. Dabei schwindet die Elektrolytfl¨¹ssigkeit, die Leistungsf?higkeit der Batterie nimmt ab. Auch baut sich durch diese Reaktion in der Batterie ein ?berdruck auf, was gef?hrlich sein kann. Ein weiteres Problem sind nadelf?rmige Zinkablagerungen, Dendriten genannt, die sich beim Aufladen in der Batterie bilden k?nnen. Diese k?nnen schlimmstenfalls sogar einen Kurzschluss verursachen und die Batterie unbrauchbar machen.

Salze machen Batterien toxisch

Ingenieur:innen haben in den vergangenen Jahren die Strategie verfolgt, die w?ssrige Elektrolytfl¨¹ssigkeit stark mit Salzen anzureichern, um damit den Wasseranteil so gering wie m?glich zu halten. Doch auch das hat Nachteile: Die Elektrolytfl¨¹ssigkeit wird dadurch z?hfl¨¹ssig, und die Lade- und Entladevorg?nge verlangsamen sich stark. Ausserdem enthalten viele der verwendeten Salze Fluor, weswegen sie giftig und umweltsch?dlich sind.

Maria Lukatskaya, Professorin f¨¹r elektrochemische Energiesysteme an der ETH Z¨¹rich, hat sich nun zusammen mit Kolleg:innnen mehrerer Forschungsinstitutionen aus den USA und der Schweiz systematisch auf die Suche nach der optimalen Salzkonzentration f¨¹r wasserbasierte Zink-Ionen-Batterien gemacht. Mit Experimenten und Computersimulationen konnten die Forschenden zeigen: Optimal ist nicht, wie bisher vermutet, eine m?glichst hohe Salzkonzentration, sondern eine verh?ltnism?ssig tiefe: f¨¹nf bis zehn Wassermolek¨¹le pro positiv geladenem Salz-Ion.

Lange leistungsf?hig und schnell ladbar

Die Wissenschaftler:innen nutzten f¨¹r ihre Optimierungen auch keine umweltsch?dlichen Salze, sondern arbeiteten mit umweltfreundlichen Salzen der Essigs?ure (Azetaten). ?Mit einer optimalen Konzentration von Azetaten konnten wir den Elektrolytschwund genauso gut minimieren, sowie die Dendritenbildung vermeiden, wie andere Wissenschaftler zuvor mit hohen Konzentrationen toxischer Salze?, sagt Dario Gomez Vazquez. Er ist Doktorand in Lukatskayas Gruppe und Erstautor der Studie. ?Ausserdem lassen sich die Batterien mit unserem Ansatz viel schneller laden und entladen.?

Bisher testeten die ETH-Forschenden ihre neue Batterie-Strategie im verh?ltnism?ssig kleinem Labor-Massstab. Als n?chstes wird es darum gehen, den Ansatz hochzuskalieren und zu schauen, ob man damit auch grosse Batterien bauen kann. Zum Einsatz kommen sollten solche Batterien dereinst zum Beispiel als Speicher im Stromnetz, um Schwankungen auszugleichen, oder im Keller von Einfamilienh?usern, um tags¨¹ber produzierten Solarstrom auch abends zur Verf¨¹gung zu haben.

Bis Zink-Batterien marktreif sind, gilt es noch einige Herausforderungen zu ¨¹berwinden, wie ETH-Professorin Lukatskaya erkl?rt: Batterien bestehen aus zwei Elektroden ¨C der Anode und der Kathode ¨C sowie der Elektrolytfl¨¹ssigkeit dazwischen. ?Wir konnten zeigen, dass man durch das Optimieren der Elektrolytfl¨¹ssigkeit die Zink-Anode effizienter aufladen kann?, sagt sie. ?In Zukunft wird man jedoch auch noch die Kathoden-Materialien optimieren m¨¹ssen, um langlebige und effiziente Zink-Batterien zu erhalten.?