Zink-Luft-Batterien können deutlich mehr Energie speichern als Lithium-Ionen-Akkus, lassen sich bislang aber kaum wieder aufladen. Ein Team um Professor Jörg J. Schneider vom Fachbereich Chemie zeigt nun, wie ein Material aus Eisen, Nickel und Kohlenstoff die Batterie bis zu 500-mal lade- und entladefähig macht.
Wiederaufladbarkeit als zentrale Herausforderung
In Hörgeräten stecken sie seit Jahrzehnten: Zink-Luft-Batterien. Sie sind technisch ausgereift und bewährt, haben aber einen entscheidenden Haken: Sind sie leer, landen sie im Müll. Wiederaufladbare Varianten sind bislang selten auf dem Markt. Dabei hätten sie großes Potenzial. Theoretisch können Zink-Luft-Batterien bis zu fünfmal mehr Energie speichern als die heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus. Woran es hakt, sind vor allem die Wiederaufladbarkeit und die komplizierten chemischen Vorgänge in der Zelle, die sich technisch nur schwer beherrschen lassen. Genau das macht das Thema für die Grundlagenforschung so spannend.
Einen wichtigen Schritt in Richtung wiederaufladbarer Zink-Luft-Batterie beschreibt nun die Arbeitsgruppe von Professor Jörg J. Schneider vom Fachbereich Chemie der TU Darmstadt. Das Team hat ein neues Material entwickelt und dessen Eigenschaften elektrochemisch untersucht, das als besonders effizienter und langlebiger Katalysator in der Batterie wirkt. Grundlage des Materials sind sogenannte Spinelle. Diese Mineralgruppe ist in der Natur weit verbreitet, ein Beispiel ist der Trevorit, eine Verbindung aus Nickel, Eisen und Sauerstoff. In Chemie, Materialwissenschaft und Elektrotechnik werden Spinelle wegen ihrer besonderen Eigenschaften bereits vielfältig genutzt.
Verbundmaterial aus Eisen, Nickel und Kohlenstoff
Die Darmstädter Forschenden haben winzige, nur wenige Nanometer große Spinell-Teilchen aus Eisen und Nickel direkt fest an Kohlenstoff-Nanomaterialien gebunden. Zusätzlich sind die Elemente Stickstoff und Phosphor in die Kohlenstoffoberfläche eingebaut. So entsteht ein Verbundmaterial, das verschiedene Dinge gleichzeitig kann: Es leitet Strom, ist chemisch stabil und aktiviert das zentrale Element der Batterie, den Sauerstoff.
Eine Zink-Luft-Batterie nutzt den Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Beim Entladen wird Sauerstoff chemisch umgesetzt, beim Aufladen muss er wieder freigesetzt werden. Beide Reaktionen laufen nur mit Hilfe eines Katalysators zuverlässig ab. Die Suche nach Materialien, die beide Vorgänge dauerhaft gut unterstützt, ist von zentraler Bedeutung. Der neue Katalysator schafft genau das: Im Experiment ermöglichte er bis zu 500 Lade- und Entladezyklen. Entscheidend ist dabei eine Art Treffpunkt in der Batterie, an dem drei Dinge zusammenkommen müssen: der feste Katalysator, die flüssige Elektrolytlösung, die für den Ladungstransport sorgt, und der Sauerstoff aus der Luft. Nur wenn dieser Kontaktbereich, Fachleute sprechen von der „Dreiphasengrenze" (englisch: triple junction), während des Betriebs stabil erhalten bleibt, funktioniert die Batterie zuverlässig. Das neue Verbundmaterial schafft dafür gute Bedingungen.
