Zink-Luft-Batterien haben sich über Jahrzehnte als zuverlässige Energiequelle für elektronische Kleingeräte, insbesondere in Hörgeräten, bewährt. Doch trotz ihrer beeindruckenden gravimetrischen Energiedichten von 300 bis 500 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) blieb ihr Einsatz in stationären Energiespeichersystemen begrenzt. Dank der Forschungsarbeiten an der Monash University in Australien könnte sich dies jedoch bald ändern.
Herausforderungen der Zink-Luft-Batterien
Die Nutzung von Zink-Luft-Batterien als stationäre Energiespeicheroption ist bislang durch eine signifikante Einschränkung geprägt: ihre kurze Lebensdauer. Herkömmliche Zink-Luft-Zellen können nicht aufgeladen werden, da sich beim Ladevorgang Zink-Dendriten bilden. Diese können Kurzschlüsse verursachen und somit die Batterielebensdauer drastisch verkürzen. Ein Team von Forschenden der Monash University hat sich nun dieser Herausforderung angenommen.
Innovative Lösungen: Der Kobalt-Eisen-Katalysator
Die Wissenschaftler haben einen neuen Kobalt-Eisen-Katalysator entwickelt, der unter dem Namen CoFe-2DSA bekannt ist. Dieser Katalysator soll die Leistung und Lebensdauer von Zink-Luft-Batterien erheblich verbessern. Durch seine spezielle Struktur beschleunigt er die träge Sauerstoffreaktion in den Batterien und macht sie effizienter.
Die Forschenden nutzten eine Wärmebehandlung, um ein 3D-Material in ultradünne, zweidimensionale Kohlenstoffschichten umzuwandeln. Dabei wurden Kobalt- und Eisenatome in diesen Schichten verankert, was die Effizienz der Batterien weiter steigert. Diese innovativen Katalysatoren könnten somit die Leistung herkömmlicher Katalysatoren aus teureren Metallen wie Platin oder Ruthenium übertreffen.
Beeindruckende Ergebnisse: Betriebsdauer von über zwei Monaten
Der Hauptautor der Studie, Saeed Askari, hebt hervor, dass der neue Ansatz neue Massstäbe für Zink-Luft-Batterien setzen könnte. „Durch die Konstruktion von Kobalt und Eisen als einzelne Atome auf einem Kohlenstoffgerüst haben wir eine rekordverdächtige Leistung bei Zink-Luft-Batterien erzielt“, so Askari. Er betont, dass mit dieser neuen Technologie eines der grössten Hindernisse für wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien überwunden werden könnte.
Dr. Parama Banerjee, Mitautorin der Studie, bestätigt, dass die Langlebigkeit der Technologie bereits unter realen Bedingungen getestet werden konnte. „Der kontinuierliche Betrieb einer wiederaufladbaren Zink-Luft-Batterie über mehr als zwei Monate ist ein Meilenstein für diesen Bereich“, erklärt Banerjee. Labortests zeigten, dass die Batterie mehr als 3.500 Lade- und Entladezyklen überstehen kann.
Potenzial für die Energielandschaft
Die Forschenden sind überzeugt, dass die funktionsprinzipien hinter diesem Katalysator nicht nur auf Zink-Luft-Batterien beschränkt sind. Sie sehen Anwendungsmöglichkeiten in der gesamten Energielandschaft, von Brennstoffzellen über die Wasserspaltung bis hin zur CO₂-Umwandlung. Das Forschungsteam geht davon aus, dass Zink-Luft-Batterien im Lauf der Zeit zu einer wettbewerbsfähigen Option für stationäre Energiespeicher werden könnten.
Fazit
Die Entwicklungen an der Monash University markieren einen bedeutenden Fortschritt in der Technologie von Zink-Luft-Batterien. Mit der Einführung des Kobalt-Eisen-Katalysators könnte eine neue Ära für die Nutzung dieser Batterien beginnen, insbesondere in Bezug auf ihre Lebensdauer und Effizienz. Dies könnte nicht nur die Basis für eine breitere Anwendung in stationären Energiespeichersystemen schaffen, sondern auch langfristig zur Optimierung der Nutzung erneuerbarer Energien beitragen.
