So leben Zink-Batterien deutlich länger

Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, die die Lebensdauer von wässrigen Zink-Ionen-Batterien um mehrere Größenordnungen verlängern könnte. Statt ein paar Tausend sollen sie künftig mehrere 100.000 Lade- und Entladezyklen überstehen. Der Schlüssel zu dieser Innovation ist eine spezielle Schutzschicht für die Zink-Anoden der Batterien. Grafik: Da Lei / TUM

Der Übergang zu erneuerbaren Energien macht effiziente Lösungen für die Speicherung großer Strommengen notwendig. Forschende an der Technischen Universität München (TUM) haben nun eine vielversprechende Methode entwickelt, die die Lebensdauer von Zink-Ionen-Batterien signifikant erhöhen könnte – von einigen Tausend auf bis zu mehrere Hunderttausend Lade- und Entladezyklen. Dieser Fortschritt eröffnet spannende Möglichkeiten, insbesondere zur langfristigen und stabilen Speicherung erneuerbarer Energie.

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Neue Polymer-Schutzschicht entwickelt

Im Zentrum dieser Innovation steht eine speziell entwickelte Schutzschicht für die Zink-Anoden der Batterien. Diese Schicht löst einige Herausforderungen, die bei herkömmlichen Zink-Batterien auftreten. Dazu zählt beispielsweise das Wachstum von nadelförmigen Strukturen, den sogenannten Zink-Dendriten. Diese Dendriten führen zu Kurzschlüssen und beeinträchtigen die Lebensdauer der Batterien. Ebenso mindert die Schicht die Entstehung unerwünschter chemischer Nebenreaktionen, die zu Wasserstoffbildung und Korrosion führen und die Leistungsfähigkeit der Batterien einschränken. Das Team unter der Leitung von Prof. Roland A. Fischer, Lehrstuhlinhaber für Anorganische und Metallorganische Chemie an der TUM School of Natural Sciences, setzt für diese Innovation ein besonderes Material ein: Ein poröses organisches Polymer namens TpBD-2F. Dieses Polymer bildet einen stabilen, extrem dünnen und hochstrukturierten Film auf der Zink-Anode. Dieser Film wirkt wie eine Barriere, die das Wasser von der Anode fernhält und gleichzeitig den Fluss der Zink-Ionen durch winzige Nano-Kanäle sehr effizient reguliert.

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Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien

Die Entwicklung von Zink-Ionen-Batterien, die über eine solche Schutzschicht verfügen, könnte eine kostengünstige und nachhaltigere Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien darstellen, wie Da Lei, Doktorand und Erstautor der im Journal Advanced Energy Materials veröffentlichten Studie, erläutert. Solche Batterien könnten insbesondere im großen Maßstab bei der Energiespeicherung, etwa in Kombination mit Solaranlagen oder Windparks, Anwendung finden. Lei betont, dass diese Batterien aufgrund ihrer verlängerten Lebensdauer und höheren Sicherheit gegenüber Lithium-Ionen-Batterien im Vorteil sind. Zudem ist Zink ein weltweit verbreiteter und kostengünstiger Rohstoff, was die Produktion umweltfreundlicher und zugänglicher macht. Zwar bleibt Lithium die erste Wahl für mobile Anwendungen wie Elektroautos oder tragbare Geräte, doch für die stationäre Speicherung größerer Energiemengen stellen Zink-Ionen-Batterien eine attraktivere Option dar.

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Idee aufgreifen und passende Produktionsverfahren entwickeln

Prof. Roland A. Fischer hebt hervor, dass die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit besonders bemerkenswert seien. Er erklärt, dass die von Da Lei konzipierte chemische Strategie nicht nur funktioniert, sondern sich auch präzise steuern lässt: „Als Grundlagenforscher sind wir vor allem an neuen wissenschaftlichen Prinzipien interessiert – und hier haben wir ein solches entdeckt. Wir haben schon einen ersten Prototyp im Format einer Knopfzelle entwickelt. Ich sehe keinen Grund, warum sich unsere Erkenntnisse nicht auch auf größere Anwendungen übertragen ließen. Jetzt sind Ingenieurinnen und Ingenieure gefragt, um die Idee aufzugreifen und passende Produktionsverfahren zu entwickeln.“