Mobile-Menu

Batterie-Material Langlebiger Katalysator für Zink-Luft-Batterien

Von TU Darmstadt 2 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Technische Universität Darmstadt
halstrup-walcher GmbH
GGB Heilbronn GmbH
Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Zink-Luft-Batterien können deutlich mehr Energie speichern als Lithium-Ionen-Akkus, lassen sich bislang aber kaum wieder aufladen. Ein Forschungsteam der TU Darmstadt hat nun ein neues Material aus Eisen, Nickel und Kohlenstoff entwickelt, dass die Batterie bis zu 500-mal lade- und entladefähig macht.

Aufbau eines bifunktionellen Katalysatorverbunds (Mitte). Er besteht aus nanoskaligen Nickel-Ferrit-Partikeln, die an der Oberfläche mit Kohlenstoff-Nanohörnern verankert sind. Zusammen ergeben sie mit dem Elektrolyten und einer Kohlenstoffananode die wiederaufladbare Zink-Luft-Batterie.(Bild: TU Darmstadt)
Aufbau eines bifunktionellen Katalysatorverbunds (Mitte). Er besteht aus nanoskaligen Nickel-Ferrit-Partikeln, die an der Oberfläche mit Kohlenstoff-Nanohörnern verankert sind. Zusammen ergeben sie mit dem Elektrolyten und einer Kohlenstoffananode die wiederaufladbare Zink-Luft-Batterie.
(Bild: TU Darmstadt)

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 in der Fachzeitschrift „Advanced Science“. 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.

Bildergalerie

Katalysator schafft bis zu 500 Lade- und Entladezyklen

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.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung. Die Einwilligungserklärung bezieht sich u. a. auf die Zusendung von redaktionellen Newslettern per E-Mail und auf den Datenabgleich zu Marketingzwecken mit ausgewählten Werbepartnern (z. B. LinkedIn, Google, Meta).

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Weiterführende Inhalte