Zink-Luft-Batterie als Energiespeichertechnologie der Zukunft?

8. Jan. 2021 — Lesedauer 2 min

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8. Jan. 2021 — Lesedauer 2 min

Weltweit wird an Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku geforscht. Die Festkörper-Batterie gilt bereits heute als gesetzter Nachfolger. Aber auch andere Batterietypen, wie beispielsweise die Zink-Luft-Batterie könnten eine Alternative sein: leistungsstark, umweltfreundlich, sicher und gleichzeitig kostengünstig. Wäre da nicht die Sache mit der hohen chemischen Instabilität. Ein Forscherteam um Wissenschaftler Dr. Wei Sun vom MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster habe nun eine neuartige Batteriechemie für die Zink-Luft-Batterie entwickelt, die ihre bisherigen technischen Schwächen überwindet.

Damit soll es möglich sein die parasitäre Reaktionen hervorgerufen durch den alkalischen Elektrolyten, welche zu elektrochemisch irreversiblen Schäden, in den Griff zu bekommen. Die detaillierten Ergebnisse des internationalen Forschungsprojekts, an dem außerdem Forschende der Fudan Universität in Shanghai, der Universität für Wissenschaft und Technik in Wuhan, der Universität Maryland sowie dem US Army Research Laboratory beteiligt waren, hat das Wissenschaftsteam in dem Fachmagazin „Science“ veröffentlicht.

Dr. Wei Sun gibt unter anderem zu verstehen, dass man entscheidende Parameter der Zink-Luft-Batterie optimiert habe: „Unser innovativer, nicht-alkalischer Elektrolyt bringt eine bisher unbekannte reversible Zink-Peroxid (ZnO2)/O2-Chemie für die Zink-Luft-Batterie mit sich“, so der Leiter des Forscherteams. Im Vergleich zu den konventionellen, stark alkalischen Elektrolyten hat der auf dem Salz des Zink-Trifluormethansulfonats basierende wässrige Elektrolyt mehrere entscheidende Vorteile: Durch eine höhere chemische Stabilität und elektrochemische Reversibilität wird die Zink-Anode effizienter genutzt. Dadurch können die Zink-Luft-Batterien 320 Zyklen und 1.600 Stunden in der Umgebung stabil betrieben werden, wie dem Fachmagazin „Science“ zu entnehmen ist.

Des Weiteren wird aus dem dortigen Artikel ersichtlich, dass die Forscherinnen und Forscher mithilfe elektrochemischer, analytischer Techniken und Multiskalensimulationen den Einfluss der ZnO2/O2-Batteriechemie und die Rolle des hydrophoben Trifluormethansulfonat-Anions systematisch untersucht haben. Die dabei identifizierte erhöhte Energiedichte hat nun das Potenzial, mit der derzeit marktbeherrschenden Lithium-Ionen-Batterie zu konkurrieren. „Aufgrund ihrer Vorteile wie Umweltfreundlichkeit, hoher Sicherheit und niedriger Kosten stellt die Zink-Luft-Batterie eine potenzielle alternative Batterietechnologie dar“, betont Wei Sun. „Vor ihrer praktischen Anwendung bedarf diese Technologie jedoch noch weiterer, intensiver Forschung und Optimierung“, so der Forschungsleiter abschließend.

Der israelische Batterieexperten Phinergy ist ebenfalls spezialisiert auf Aluminium-Luft- und Zink-Luft-Batteriesysteme, die ein großes Anwendungspotential für Elektromobilität und stationäre Anwendungen haben. Derzeit arbeite man mit dem indische Mineralöl-Unternehmen IndianOil an der Fortentwicklung der Technologie. Wobei dies unabhängig von den eingangs aufgeführten Aktivitäten der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster geschieht.

Quelle: WWU Münster – Innovative Batteriechemie revolutioniert Zink-Luft-Batterie

Sebastian Henßler

Sebastian Henßler hat Elektroauto-News.net im Juni 2016 übernommen und veröffentlicht seitdem interessante Nachrichten und Hintergrundberichte rund um die Elektromobilität. Vor allem stehen hierbei batterieelektrische PKW im Fokus, aber auch andere alternative Antriebe werden betrachtet.

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Pel:

Seit dem Wissenschaftler das Problem mit der aufladung der Batterie überwunden haben, ging ich eigentlich davon aus das sie auch in Autos eingebaut werden kann.
Während eine Li-Ion Batterie auf 1 KG 200 WH speichern kann was bei E-Autos meist der fall ist
während Batterien bei Verbrennern nur auf eine Speicherkapazität von 30 – 50 WH/KG kommen.
Die Zink/Luft Batterien kommen auf 350WH/KG was ich schon als beeindruckend empfinde.
Die Deutsche Post hatte schon von 1996 – 1997 60 Transporter mit Zink-Luft Batterien betrieben die zu der damaligen Zeit 300 KM weit kamen und eine Recyclinganlage hat das Zink ohne Qualitätsverlust wieder aufbereitet. ( das war vermutlich das Problem für das wieder einstampfen des Versuchs, man konnte diese Batterien leider nicht wieder aufladen)
Ein Großer nachteil ist die Selbstentladung die bei etwa 10% liegt liegt während eine Li-Ion Batterie nur 2% im Jahr verliert. Aber aufgrund der werte halte ich 10% eigentlich als vertretbar.
Dazu kommt der Umweltansatz, wobei ich weis dass es vielen leuten in Zwischen aus den Ohren kommt ist die Zink/Luft Batterie weitaus umweltfreundlicher.
Aktuell bin ich ein Fan von der Zink-Luft Batterie aber auch von der Graphentechnologie in der Zukumft da es momentan noch kein vernünftiges verfahren gibt womit man Graphen in Ausreichenden Mengen produzieren kann.

Helmuth Meixner:

Ja wenn der BEV-Fans das gewusst hätte, ja dann hätte er sicherlich so ein BEV in Erwägung gezogen: https://www.autotrader.com/car-news/toyota-rav4-ev-has-had-two-obscure-generations-281474979930553 und nun? Nun sieht es so aus: https://topmostpopular.com/game-changing-battery-could-end-combustion-engine-vehicles/

Daniel W.:

Auch wenn ein bischen spät ist, so will ich noch auf diese Angaben eingehen.

Dadurch können die Zink-Luft-Batterien 320 Zyklen und 1.600 Stunden in der Umgebung stabil betrieben werden, wie dem Fachmagazin „Science“ zu entnehmen ist.

320 Zyklen mal 312,5 km ergibt 100.000 km oder 8 Jahre bei einem Durchschnittfahrer.

100.000 km geteilt durch 1.600 Stunden ergibt eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 62,5 km/h, das entspricht Landstrassenfahrten mit 80 – 90 km/h inkl. Ortsdurchfahrten.mit bis zu 50 km/h.

Also wenn diese Daten in der Praxis gelten und die Batterien wie angenommen nur 10 Euro pro kWh kosten würden, dann wäre ein Wechsel alle 8 Jahre sogar günstig. 3 Batterien ergäben 300.000 km und 24 Jahre Betriebszeit bei durchschnittlich 12.500 km pro Jahr – in Summe 30 Euro pro kWh.

Daniel W.:

Preislich würden sich das wohl rechnen, wenn es den Strom viel günstiger gäbe, aber …

Mit Stand 2018 zeigte sich jedoch, dass Nachtspeicherheizungen in der Praxis in aller Regel deutlich zu unflexibel für eine etwaige Integration erneuerbarer Energien sind. Im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts wurde gezeigt, dass eine Flexibilisierung der deutschen Nachtspeicherheizungen nicht zwingend zu einer besseren Integration fluktuierender erneuerbarer Energien führen würde und vermutlich auch nicht kosteneffizient wäre.
(Quelle: Wkipedia)

… dieses Thema ist von Politk und Forschung als „zu unflexibel“ und „vermutlich auch nicht kosteneffizient“ abgehakt worden – also eine Sache für die Technik-Geschichtsbücher.

In Zukunft dürfte es in Richtung „dezentral“ und „autark“ gehen, zum einem wegen den Stromtrassen und dem Widerstand dagegen und zum anderen weil sich die Bürger nicht von den Launen der Politik und der Einmischung der Lobbyisten abhängig machen wollen beim Umweltschutz.

Daniel W.:

„…mit der kürzlich vorgestellten 2170 Zelle.“

Da war doch sicher der neue größere Typ 4680 gemeint oder?

Kommentator:

Sollte „10% pro Jahr“ lauten …

Kommentator:

So ein Quatsch. Argumentation erübrigt sich.

Hier werden einfach nur lauter inkrementelle Verbesserungsschritte lautstark gefeiert. Auch Tesla hat absolut nichts daran geändert, dass die Kapazität in Schnitt um 10% gesteigert werden kann. Und das mindestens seit 5 Jahrzehnten. Deshalb kommt auch nur der Wunderakku. In der Realität ist der längst da. Einfach mal einen modernen LiPo mit dem vergleichen, was in den 1970igern bei egal welchem Budget zur Verfügung gestanden hätte. Heute halten wir bereits kleine Drohnen für 30 Minuten in der Luft als wäre es selbstverständlich. 1970 wärst du froh gewesen 1-2 Minuten mit einem Gerät ohne relevanter Gleitfähigkeit unter 250g zu schaffen.

Das liegt eben nicht schon Jahrzehnte in der Schublade, sondern ist das Ergebnis harter Arbeit von hunderten Forschungsgruppen über Jahrzehnte.

Michael:

Jetzt bekommt man allmalig den Beweis geliefert, wie man uns seit gedenken veräppelt.
Tesla kommt und schon rücken angebliche Erfindungen um Erfindungen durch die aber schon alle seit Jahrzehnten bei ihnen auf dem Tisch liegen. Akku, Wasserstoff. Lag alles schon vor Ewigkeiten vor und jetzt darf es verwendet werden. Bloß den Fortschritt zur richtigen Zeit einläuten.

Stefan:

Damals gab es ja auch keine Druck, die Forschung und Entwicklung zu beschleunigen. Den haben wir jetzt aber und die Investitionen werden massiv in die Batterie Weiterentwicklung umgeleitet. Wer eine Batterie entwickelt, die sich durch Umrüstung von vorhandenen Produktionslinien produzieren läßt und mit einer hohe Kapazität, geringes Gewicht, geringen Innenwiderstand, lange Lebensdauer, hohe Recycling Fähigkeit, schnelllade Fähigkeit und Sicherheit entwickelt, ist vorne. Und das ist Tesla und seinen Partnern, mit der kürzlich vorgestellten 2170 Zelle. Hier sieht man, das die guten Ideen oft die Einfachen sind, weil sie Zeit sparen, sehe ich niemanden, der den Vorsprung einholen könnte. Wie mit der Skalierung der Anoden Anschlüssen, was ja letztendlich durch Paralellschaltung dieser vielen Anodenabgriffen den Innenwiderstand deutlich senkt und damit die schnell Lade- und Entladefähigkeit enorm steigert, ist „einfach“ (&) genial. Das wurde von der Breiten Masse der Anwesenden gar nicht verstanden, wie man an deren Reaktionen merken konnte.

Daniel W.:

Laut Wikiedia wurde schon in den 1970er Jahre an dem Prinzip der Lithium-Ionen-Akkus geforscht, 1977 bis 1979 wurde kleine Batterien (Lithiumlegierung, noch keine Akkus) für Uhren verkauft. 1980 Lithium-Cobalt als Material entdeckt. Erfolgreiche industrielle Umsetzung1985 in Japan. Der erste kommerziell erhältliche Lithium-Ionen-Akku von Sony 1991 auf den Markt gebracht. 2020 fanden Forscher heraus, dass Zugabe von Kalium die Akkus langlebiger und sicherer macht.

Manches Ding braucht eben seine Zeit – beim Lithium-Ionen-Akku hat es vom Prinzip bis zum Akku in der Sony-Videokamera etwa 20 Jahre gebraucht. Bei Zink-Luft-Akkus wird ja schon lange geforscht, warum sollte die Sache da nicht kurz vor dem Durchbruch stehen?