Eine Nickel-Zink-Batterie zum Wiederaufladen

  • 28. April 2017

Poröse Metallschäume verhindern Wachstum von zer­stö­re­rischen Dendriten.

Zink-Kohle-Zellen dominierten vor wenigen Jahr­zehnten den Markt von 1,5 Volt-Ein­weg­batte­rien. Heute sind sie weitest­gehend von Alkali-Mangan-Zellen wegen eines besseren Aus­lauf­schutzes ver­drängt. Doch am U.S. Naval Research Labora­tory in Washing­ton wird an einer Renais­sance von zink­basierten Batte­rien gearbeitet. Dank poröser Zink­schäume für die Anode ließen sich wieder­auf­lad­bare Vari­anten mit Zink-Anoden her­stellen. Dieser Ansatz hat wegen der guten und günstigen Ver­füg­bar­keit von Zink ein großes Poten­zial als Alter­native zu Nickel-Metall­hydrid-, Blei­säure- und sogar Lithium­ionen-Akkus.

Nickel-Zink-Batterie

Abb.: Nickel-Zink-Batterie: Eine poröse Schwamm­struktur der Zink-Anode (rechts) ermög­licht das viel­fache Wieder­auf­laden, da keine Dendriten, gebildet in Anoden aus Zink­pulver (links), zu Kurz­schlüssen führen. (Bild: J. F. Parker et al. / AAAS)

Debra Rolison und ihre Kollegen vom NRL entwickelten viel­fach auf­lad­bare Nickel-Zink-Batte­rien, in denen sie das Ver­halten des Metalls während der Lade­zyklen kontrol­lieren konnten. Mit einer Anode aus einem Zink-Metall­schaum ent­standen während der Lade­zyklen keine spitzen und scharfen Dendriten mehr, die zuvor Längen von einigen hundert Mikro­metern erreichen konnten. In Nickel-Zink-Batte­rien mit Anoden aus Zink­pulver statt aus porösem Zink­schaum durch­stießen die Dendriten die Trenn­schicht zwischen den Elek­troden und verur­sachten Kurz­schlüsse mit der Nickel-Kathode.

Die Forscher konstruierten nun mehrere Prototypen, die aus Stapeln aus Metall­elek­troden und Trenn­membranen, im Ganzen jeweils umhüllt von einem Nylon­mantel, bestanden. Diese Batte­rien über­prüften sie in mehreren Versuchs­reihen auf ihre Speicher­kapa­zität und Zyklen­festig­keit. So ent­luden sie eine Nickel-Zink-Batterie mög­lichst tief und erhielten mit mehr als hundert Watt­stunden pro Kilo­gramm bei einer kon­stanten Span­nung von 1,93 Volt eine spezi­fische Energie ver­gleich­bar mit Werten von kommer­ziellen Lithium­ionen-Akkus. Dabei schöpfte die Batterie gut neunzig Prozent ihrer theore­tischen Kapa­zität aus. Aller­dings hielt der Strom­speicher dieser starken Bean­spru­chung nur knapp hundert Lade­zyklen stand. Die Stabi­lität müsste auf einige tausend Lade­zyklen gestei­gert werden, um Lithium­ionen-Akkus ersetzen zu können.

Sehr viel stabiler zeigten sich dagegen Nickel-Zink-Batterien, die nur zum Teil ent­laden wurden. Mit abneh­mender Ent­ladungs­tiefe steigt die Zyklen­festig­keit an, paral­lel sank die Speicher­kapa­zität. Diese Stabi­lität gipfelte in etwa 54.000 Lade­zyklen bei einer spezi­fischen Energie von bis zu vierzig Watt­stunden pro Kilo­gramm. Mit diesem Wert könnten Nickel-Zink-Batte­rien zwar nicht mit Lithium­ionen-Akkus, aber mit her­kömm­lichen Blei­säure-Systemen konkur­rieren, die als Starter­batterie in Autos ange­wandt werden. Deut­lich leichter als Blei-Batte­rien müssten sie nur alle zehn Jahre ausge­tauscht werden.

Neben der potenziellen Langlebigkeit liegt ein weiterer Vor­teil der Nickel-Zink-Batte­rien in einem geringen Gewicht. So schätzten die Wissen­schaftler ab, dass ein E-Bike-Akku auf Blei­basis mit einer Kapa­zität von 540 Watt­stunden gut zwölf Kilo­gramm wöge, ein Nickel-Zink­schaum-Akku dagegen nur knapp sechs Kilo­gramm. Im Ver­gleich mit Lithium­ionen-Akkus für Elektro­autos mit einer Kapa­zität von 24.000 Watt­stunden brächte ein Nickel-Zink-System nur 220 kg auf die Waage, Lithium­ionen-Akkus dagegen 339 kg. Im Unter­schied zu Lithium­ionen-Akkus ließen sich Nickel-Zink-Batte­rien auch sicherer betreiben, da sie ein sehr viel gerin­geres Über­hitzungs- und Explo­sions­risiko haben.

Weitere Versuche sollen das große Potenzial von wieder­auf­lad­baren Batte­rien auf Zink­schaum-Basis noch genauer belegen. Auch eine höhere Stabi­lität bei tiefer Ent­ladung könnte etwa mit Zink-Luft-Systemen erreicht werden. Gelingt dieser Schritt, lockt eine Techno­logie, die mit Zink und Nickel günstige und welt­weit gut ver­füg­bare Materi­alien nutzt. Diese lassen sich zudem effi­zient recyceln. Auf dem Weg zur Serien­reife ihrer paten­tierten Techno­logie werden die NRL-Forscher vom Start-Up-Unter­nehmen EnZinc Inc. in San Anselmo unter­stützt.

Jan Oliver Löfken

RK

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