Rekord-Leistungsdichte für Zink-Luft-Batterien
Ein Akku mit besserer Lade- und Entladeleistung, und das ganz ohne das Edelmetall Platin – Forschende am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf sind auf dem besten Weg einen neuen Batterietyp zu entwickeln, der zudem deutlich günstiger wäre als herkömmliche Modelle.
Der poröse Katalysator (rote Kugeln) beherbergt auf seiner Oberfläche dichte, katalytisch aktive Zirkoniumstellen.
Foto: HZDR/Bernd Schröder, Minghao Yo
Klar ist: Die Energiewende kann nur funktionieren, wenn es gelingt, Energie in einem größeren Maß zu speichern. Dann wäre es möglich, auch erneuerbare Quellen effizienter zu nutzen und beispielsweise Strom aus Solarkraft im Dunkeln dafür zu nutzen, Lampen zum Leuchten zu bringen. Ein wichtiger Faktor könnten dafür Energiespeicher werden, die auf chemischer Basis funktionieren. Ein bekannter Typus dieser Kategorie sind Zink-Luft-Batterien. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ist es nun gelungen, diese Art des Akkus weiterzuentwickeln – mit einem neuen Katalysator.
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Test mit neuer Zink-Luft-Batterie über 130 Betriebsstunden
Grundlage für den neuen Katalysator ist das relativ häufige Zirkonium. Es ersetzt Platin, und damit ist auch schon eine wichtige Veränderung im Vergleich zu den bisherigen Zink-Luft-Batterien benannt. Schließlich gehört Platin zu den teuersten Edelmetallen der Welt. Das heißt jetzt aber nicht, dass ein niedriger Preis für weniger Qualität stünde, im Gegenteil. Der neue Katalysator treibt die Lade- und Entladeleistung des Akkus nach oben. Er soll darüber hinaus sehr langlebig sein. Nach Aussage der Forschenden testeten sie ihren Prototypen über 130 Betriebsstunden und die Kapazität lag immer noch bei 92% der ursprünglichen Leistung.
„Das ist ein ausgezeichneter Wert, wenn man bedenkt, dass wir uns noch in einem frühen Stadium der Entwicklung unserer neuartigen Katalysatoren befinden“, sagt Agnieszka Kuc vom Institut für Ressourcenökologie am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Die chemisch-physikalischen Eigenschaften von Batterie-Katalysatoren sind ihr Forschungsgebiet. Die Katalysatoren werden oft als Metallnanostrukturen auf geeigneten Trägermaterialien eingesetzt, wobei deren Metallatome als katalytisch aktive Stellen gebraucht werden.
Neues Konzept für Batterie-Strukturen
Die Leistungsfähigkeit der Katalysatoren wird unter anderem durch die Größe der Metallpartikel beeinflusst. Dabei nimmt die katalytische Wirksamkeit der Metallatome in der Regel zu, je kleiner die Metallpartikel werden, in denen die Atome zu finden sind.
„Die ultimative Grenze ist der Einzelatom-Katalysator: isolierte Metallatome, die einzeln auf einem Träger verteilt sind“, sagt Minghao Yu von der TU Dresden. Seine Aufgabe besteht darin, Katalysatoren herzustellen, deren Zentrum aus einzelnen Übergangsmetallatomen – wie etwa Zirkonium – bestehen, die durch benachbarte, in einer Ebene liegende Kohlenstoff- oder Stickstoffatome in einer Kohlenstoffmatrix gefangen sind.
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„In unserem Fall haben wir jedoch noch ein Sauerstoffatom als zusätzlichen Koordinationspartner oberhalb unseres Metalls angeordnet, was zu einer weiteren Wechselwirkung mit der elektronischen Struktur des Zirkoniums führt“, sagt Yu. Dieses Merkmal ist aus seiner Sicht besonders wichtig. Denn er leitet daraus die Idee für ein neues Konzept ab, das zu innovativen Einzelatom-Katalysatoren führen könnte.
Katalysator verringert die Überspannung der Zink-Luft-Batterie
Der Katalysator in einer Zink-Luft-Batterie hat eine wichtige Aufgabe: Er soll die sogenannte Überspannung verringern. Die Überspannung beschreibt das Maß, in dem die tatsächliche chemische Reaktion in der Batterie von dem abweicht, was laut theoretischer Berechnungen erwartet werden kann. Anders gesagt: Die Forschenden können weniger Energie aus der Batterie herausholen, als es nach den Gesetzen der Thermodynamik der Fall sein müsste.
Katalysatoren können genau diese Überspannung verkleinern, weswegen sie für die Effizienz chemischer Energiespeicher unverzichtbar sind. Das ist natürlich nicht neu. Katalysatoren sind fester Bestandteil in der Batteriechemie kommerzieller Anwendungen. Standardmaterial ist dafür Platin, was die Kosten entsprechend in die Höhe treibt. Umso drängender ist der Bedarf an neuen Katalysatoren, die häufiger vorkommen und zu einem günstigeren Preis zu haben sind. Darunter darf aber nicht die Leistung leiden. Zirkonium scheint alle Anforderungen zu erfüllen.
Zweiter Clou für die neue Batterie: das Trägermaterial
Dabei mussten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine besondere Herausforderung bewältigen. Denn je kleiner die Partikel werden, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie sich zu Clustern zusammenballen – was die Leistung der Zink-Luft-Batterie verringert. Ein geeignetes Trägermaterial kann diese Verklumpung jedoch verhindern.
„In unserem Fall haben wir unser synthetisiertes Material auf der Oberfläche von Quarzkügelchen isoliert, die eine für katalytische Prozesse vorteilhafte poröse Struktur aufweisen. Bei unserer Anordnung stellten wir eine ausgeprägte Abneigung des Zirkoniums hinsichtlich einer Zusammenballung fest, sodass wir Katalysatoren mit einer hohen Zirkoniumbeladung herstellen konnten“, sagt Kuc. „Damit haben wir eine rekordverdächtige Leistungsdichte unter allen bisher mit Einzelatom-Katalysatoren hergestellten Zink-Luft-Batterien erzielt.“
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