Lithium-Ionen-Batterien, die Smartphones und Elektroautos betreiben, sind recht teuer, denn es gibt einen weltweiten Run auf den Rohstoff Lithium. Ausserdem sind diese Batterien leicht entflammbar. Eine vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien sind wasserbasierte Zink-Batterien. Ein internationales Team von Forschenden unter Leitung der ETH Zürich hat nun eine Strategie erarbeitet, welche die Entwicklung von solchen Zink-Batterien entschieden weiterbringt, sie leistungsfähiger, sicherer und umweltfreundlicher macht.
Zink-Batterien haben ein paar Vorteile: Zink ist reichlich vorhanden, billig und lässt sich einfach rezyklieren, denn es existiert weltweit eine gut ausgebaute Zink-Recycling-Infrastruktur. Ausserdem lässt sich in Zink-Batterien viel Strom speichern. Und vor allem benötigen Zink-Batterien als Elektrolytflüssigkeit nicht unbedingt organische Lösungsmittel, die leicht entflammbar sind. Stattdessen können auch Elektrolytflüssigkeiten verwendet werden, die auf Wasser basieren.
Wären da bloss nicht einige Probleme, mit denen Ingenieur:innen bei der Entwicklung dieser Batterien zu kämpfen haben: Werden Zink-Batterien mit hoher Spannung geladen, reagiert die wässrige Elektrolytflüssigkeit an einer der Elektroden zu gasförmigem Wasserstoff. Dabei schwindet die Elektrolytflüssigkeit, die Leistungsfähigkeit der Batterie nimmt ab. Auch baut sich durch diese Reaktion in der Batterie ein Überdruck auf, was gefährlich sein kann. Ein weiteres Problem sind nadelförmige Zinkablagerungen, Dendriten genannt, die sich beim Aufladen in der Batterie bilden können. Diese können schlimmstenfalls sogar einen Kurzschluss verursachen und die Batterie unbrauchbar machen.
Ingenieur:innen haben in den vergangenen Jahren die Strategie verfolgt, die wässrige Elektrolytflüssigkeit stark mit Salzen anzureichern, um damit den Wasseranteil so gering wie möglich zu halten. Doch auch das hat Nachteile: Die Elektrolytflüssigkeit wird dadurch zähflüssig, und die Lade- und Entladevorgänge verlangsamen sich stark. Ausserdem enthalten viele der verwendeten Salze Fluor, weswegen sie giftig und umweltschädlich sind.
Maria Lukatskaya, Professorin für elektrochemische Energiesysteme an der ETH Zürich, hat sich nun zusammen mit Kolleg:innnen mehrerer Forschungsinstitutionen aus den USA und der Schweiz systematisch auf die Suche nach der optimalen Salzkonzentration für wasserbasierte Zink-Ionen-Batterien gemacht. Mit Experimenten und Computersimulationen konnten die Forschenden zeigen: Optimal ist nicht, wie bisher vermutet, eine möglichst hohe Salzkonzentration, sondern eine verhältnismässig tiefe: fünf bis zehn Wassermoleküle pro positiv geladenem Salz-Ion.
Die Wissenschaftler nutzten für ihre Optimierungen auch keine umweltschädlichen Salze, sondern arbeiteten mit umweltfreundlichen Salzen der Essigsäure (Azetaten). "Mit einer optimalen Konzentration von Azetaten konnten wir den Elektrolytschwund genauso gut minimieren, sowie die Dendritenbildung vermeiden, wie andere Wissenschaftler zuvor mit hohen Konzentrationen toxischer Salze", sagt Dario Gomez Vazquez. Er ist Doktorand in Lukatskayas Gruppe und Erstautor der Studie. "Ausserdem lassen sich die Batterien mit unserem Ansatz viel schneller laden und entladen."
Bisher testeten die ETH-Forschenden ihre neue Batterie-Strategie im verhältnismässig kleinen Labor-Massstab. Als nächstes wird es darum gehen, den Ansatz hochzuskalieren und zu schauen, ob man damit auch grosse Batterien bauen kann. Zum Einsatz kommen sollten solche Batterien dereinst zum Beispiel als Speicher im Stromnetz, um Schwankungen auszugleichen, oder im Keller von Einfamilienhäusern, um tagsüber produzierten Solarstrom auch abends zur Verfügung zu haben.
Bis Zink-Batterien marktreif sind, gilt es noch einige Herausforderungen zu überwinden, wie ETH-Professorin Lukatskaya erklärt: Batterien bestehen aus zwei Elektroden – der Anode und der Kathode – sowie der Elektrolytflüssigkeit dazwischen. "Wir konnten zeigen, dass man durch das Optimieren der Elektrolytflüssigkeit die Zink-Anode effizienter aufladen kann", sagt sie. "In Zukunft wird man jedoch auch noch die Kathoden-Materialien optimieren müssen, um langlebige und effiziente Zink-Batterien zu erhalten."
Literaturhinweis:
Gomez Vazquezcall, Pollardcall, Marscall, Yoocall, Steinrückcall, Bonecall, Safonovacall, Toneycall, Borodincall, Lukatskayacall: Creating water-in-salt-like environment using coordinating anions in non-concentrated aqueous electrolytes for efficient Zn batteries. Energy & Environmental Science, 13. März 2023, doi: 1039/D3EE00205E (https://doi.org/10.1039/D3EE00205E
