Innovative Batteriechemie revolutioniert Zink-Luft-Batterie
Leistungsstark, umweltfreundlich, sicher und gleichzeitig kostengünstig: Die Zink-Luft-Batterie gilt als attraktive Energiespeichertechnologie der Zukunft. Doch bisher kämpfte die konventionelle Zink-Luft-Batterie mit einer hohen chemischen Instabilität; parasitäre Reaktionen hervorgerufen durch den alkalischen Elektrolyten führten zu elektrochemisch irreversiblen Schäden. Mit einem innovativen, nicht-alkalischen, wässrigen Elektrolyten hat ein Forscherteam um den Wissenschaftler Dr. Wei Sun vom MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster nun eine neuartige Batteriechemie für die Zink-Luft-Batterie entwickelt, die ihre bisherigen technischen Schwächen überwindet. 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.
Entscheidende Parameter der Zink-Luft-Batterie optimiert
„Unser innovativer, nicht-alkalischer Elektrolyt bringt eine bisher unbekannte reversible Zink-Peroxid (ZnO2)/O2-Chemie für die Zink-Luft-Batterie mit sich“, erläutert Dr. Wei Sun. 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.
Der Einfluss der ZnO2/O2-Batteriechemie und die Rolle des hydrophoben Trifluormethansulfonat-Anions haben die Forscherinnen und Forscher mithilfe elektrochemischer, analytischer Techniken und Multiskalensimulationen systematisch untersucht. 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".
Originalpublikation:
Sun W, Wang F, Zhang B, Zhang M, Küpers V, Ji X, Theile C, Bieker P, Xu K, Wang C, Winter M, 2021, ‚A rechargeable zinc-air battery based on zinc peroxide chemistry‘, Science 01 Jan 2021: Vol. 371, Issue 6524, pp. 46-51, DOI: 10.1126/science.abb9554