Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben einen innovativen chemischen Ansatz entwickelt, um die Lebensdauer von wässrigen Zink-Ionen-Batterien massiv zu verlängern. Durch eine spezielle Schutzschicht auf den Zink-Anoden erreichen diese Batterien statt nur wenigen Tausend Ladezyklen jetzt eine beeindruckende Haltbarkeit von mehreren Hunderttausend Lade- und Entladezyklen.
Eine Schutzschicht gegen Leistungsabfall und Korrosion
Das Hauptproblem bei Zink-Ionen-Batterien lag bisher in der Bildung von dendritischen Strukturen – nadelartigen Zinkkristallen, die die Batterie langfristig beschädigen und ihre Leistung beeinträchtigen. Zudem kam es zu chemischen Nebenreaktionen, die Wasserstoff freisetzen und Korrosion an den Anoden auslösen. Die neu entwickelte Schutzschicht der TUM-Forscher verhindert diese Effekte.
Diese Schutzschicht besteht aus einem porösen organischen Polymer namens TpBD-2F, das eine extrem dünne und hochgeordnete Schicht auf der Anode bildet. Durch feine Nano-Kanäle im Material können Zink-Ionen weiterhin effizient transportiert werden, während Wasser vom Anodenmaterial ferngehalten wird. So bleibt die Batterie stabil und langlebig.
Zink als günstige und sichere Alternative zu Lithium
Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien bietet die neue Zink-Technologie gleich mehrere Vorteile: Die verwendeten Materialien sind günstiger, besser verfügbar und weniger umweltbelastend. Besonders bei großflächigen Energiespeicherlösungen – etwa in Kombination mit Solar- oder Windkraftanlagen – könnte die Zink-Batterie daher eine wichtige Rolle spielen. Lithium-Ionen-Batterien bleiben zwar für mobile Anwendungen wie E-Fahrzeuge oder portable Geräte vorteilhaft, doch ihre Kosten und die ökologischen Auswirkungen ihrer Herstellung mindern ihre Attraktivität für den Einsatz in stationären Speichern.
Da Lei, Doktorand und Hauptautor der Studie, erklärt:
„Mit dieser neuen Schutzschicht können Zink-Ionen-Batterien langfristig zuverlässiger und sicherer betrieben werden. Sie bieten eine erschwingliche Alternative zu Lithium-Batterien, insbesondere bei Anwendungen im großen Maßstab.“
Vom Forschungslabor zur Großanwendung
Prof. Roland A. Fischer, Leiter des Forschungsteams, sieht großes Potenzial für den Einsatz der Technologie.
„Wir haben bereits einen Prototypen in Form einer Knopfzelle entwickelt. Es gibt keinen Grund, warum diese Erkenntnisse nicht für größere Anwendungen genutzt werden könnten.“
Nun liegt die Herausforderung darin, dass Ingenieure und Entwickler passende Produktionsprozesse für die Industrie entwickeln.
Dieser Ansatz könnte die Entwicklung nachhaltiger Stromspeicher revolutionieren, indem er eine kostengünstige, sichere und langlebige Lösung für die Speicherung von Solar- und Windenergie bereitstellt. Damit wäre der Weg frei für eine effektivere Energiewende, die unabhängiger von den kostspieligen und umweltbelastenden Lithium-Ressourcen wäre.
Quelle: https://www.tum.de/en/news-and-events/all-news/press-releases/details/significant-extension-of-zinc-battery-lifespan