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.
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
