Chemiker entwickeln neuen Katalysator, der Zink-Luft-Batterien Laufzeit von über 300 Stunden ermöglicht

Chemiker haben ein Geheimnis gelüftet, das Zink-Luft-Batterien in die ultimative wiederaufladbare Energiequelle verwandeln könnte. Forscher der Technischen Universität Darmstadt haben einen multifunktionalen Verbundwerkstoff entwickelt, der die Technologie wiederaufladbarer Zink-Luft-Batterien ermöglichen soll. Dass sich diese Batterien aufladen lassen, war lange eine extrem anspruchsvolle Aufgabe, weil die Kontrolle der komplexen chemischen Reaktionen im Batterieinneren das Haupthindernis darstellte. Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forschungsteam unter Leitung von Professor Jörg Schneider einen neuartigen Verbundwerkstoff aus Eisen, Nickel und Kohlenstoff vorgestellt, der diese internen Prozesse stabilisiert.

Bemerkenswert ist, dass diese Entwicklung die kontinuierliche Laufzeit wiederaufladbarer Zink-Luft-Batterien auf 300 Stunden bringt. Das Team erklärt: „Die zusammengebauten sekundären Zink-Luft-Batterien zyklierten im Konstantstrom-Lade-Entlade-Test über 300 Stunden.“

Entwicklung des neuen Katalysators

Hocheffiziente Hybridkatalysator-Zink-Luft-Batterien fristeten lange ein Nischendasein, hauptsächlich in Einwegprodukten wie Hörgeräten. Diese Batterien können die fünffache Energiespeicherkapazität von Lithium-Ionen-Batterien erreichen, waren aber wegen der nahezu unmöglichen Kontrolle ihrer komplexen internen chemischen Reaktionen beim Laden stets auf Einmalnutzung beschränkt. Das Forschungsteam löste dieses Problem, indem es nanometergroße Spinell-Partikel (bestehend aus Eisen, Nickel und Sauerstoff) fest auf einem stickstoff- und phosphorthaltigen Kohlenstoffmaterial verankerte. Spinelle finden in der Materialwissenschaft und Elektrotechnik wegen ihrer einzigartigen Eigenschaften breite Anwendung. Dieser neue Werkstoff nutzt diese speziellen elektrochemischen Eigenschaften als langlebigen internen Katalysator.

Früher diente Nickel-Eisen-Oxid als Basismaterial für Katalysatoren, die die internen Sauerstoffreaktionen in wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterien antreiben sollten. Doch diese Katalysatoren litten unter geringer chemischer Aktivität und schlechter Stabilität, was ihren Einsatz in wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterien begrenzte. Um dies zu beheben, schufen die Forscher einen Hybridkatalysator, der winzige Nickel-Eisen-Oxid-Würfel in stickstoff- und phosphordotierte Kohlenstoff-Nanoecken einhüllt. Diese Kohlenstoffhülle ermöglicht schnellen Elektronen- und Massentransport und schafft zugleich zahlreiche aktive Reaktionsstellen. Die Struktur schützt die Eisenoxid-Partikel zudem vor Agglomeration oder Auflösung, wodurch der Katalysator langlebiger und wirksamer wird.

Dieser Katalysator, der Lithium-Batterien ersetzen soll, zeigte beeindruckende elektrochemische Leistung mit einem Halbwellenpotenzial von bis zu 0,79 V, einer niedrigen Tafel-Steigung von 56,5 mV/dec und einem effizienten Vier-Elektronen-Sauerstoffreduktionspfad. Im vollständigen Zink-Luft-Batteriezellen-Test erreichte er eine maximale Leistungsdichte von 54 mW/cm² – fast das Doppelte des 28 mW/cm²-Benchmarks von Standard-Platin-und-Platin-Katalysator-Anordnungen. Im Laborversuch ermöglichte der Katalysator durch Stabilisierung der „Dreiphasengrenze“ – der Wechselwirkung zwischen festem Katalysator, flüssigem Elektrolyt und Umgebungsauerstoff – bis zu 300 Stunden Dauerbetrieb.

Damit wahrt das Material die stabilen chemischen Bedingungen, die für zuverlässigen Langzeitbatteriebetrieb erforderlich sind.

Vorteile von Zink-Luft-Batterien

Zink-Luft-Technologie bietet gegenüber Lithium-Ionen-Systemen erhebliche Vorteile bei Kosten, Sicherheit und skalierbaren Anwendungen. Lithium, Kobalt und Nickel sehen sich schweren Lieferkettenproblemen ausgesetzt, während Materialien wie Zink, Eisen und Kohlenstoff weltweit reichlich und preiswert verfügbar sind. Hinzu kommt: Der wasserbasierte Elektrolyt von Zink-Luft-Batterien ist nicht brennbar, was das gefährliche Risiko thermischer Ausbrüche (Thermal Runaway) eliminiert, das mit Lithium-Ionen-Batterien verbunden ist. Zwar macht die mittlere Leistungsdichte sie weniger geeignet für schnellladende Unterhaltungselektronik, doch ihre hohe Energiedichte prädestiniert sie für stationäre Netzspeicher zur Unterstützung von Solar- und Windenergie. Letztlich könnten großformatige Zink-Luft-Batterien auch zu effizienten Langstreckenstromquellen für Schwerlasttransport und Elektrofahrzeuge werden.