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Zink-Luft-BatterieMit Zink-Luft-Batterien ist es theoretisch möglich, Energiedichten über 400 Wh/kg zuerreichen. Im Vergleich zu einem Lithium-Ionen Akku ergibt sich eine bis zu dreimalhöhere elektrische Kapazität.

EinleitungDurch den steigenden Bedarf zur Speicherung elektrischer Energie, entsteht eine steigende Nachfrage an Neu- und Weiterentwicklungen von Batterietechnologien. Aufgrund der hohen Energiedichtesind Lithium-Batterien ein bevorzugtes Entwicklungsziel. Sie haben im Vergleich mit Zink-Luft-Batterien jedoch Nachteile, wie leichte Brennbarkeit, heftige Reaktion mit Wasser, Gefahr von Kurzschlussund Brand und schlechte Verfügbarkeit von Lithium. Zink-Luft-Batterien stellen eine Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie dar. In dieser Batterie wird Zinkmetall mit Luftsauerstoff in einem alkalischenElektrolyten oxidiert und die dabei freiwerdende Energie elektrochemisch genutzt.

Aufbau Zink-Luft-Batterie (Primärzellen)

Vorteile von Zink-Luft-Batterien als SekundärzellenEnergiedichte: Die zu erwartende Energiedichte der Materialkombination liegtdeutlich über den anderen in Frage kommenden Kombinationen wie Ni/MH oder Li-Ion. So ergibt sich ein hervorragendes Leistungsgewicht.• Geringe Selbstentladung: Ohne Sauerstoff kann die chemische Reaktion und damitdie Entladung stark verlangsamt werden.• Zink wird nicht verbraucht: Der Reaktand Zink kann theoretisch beliebig oftregeneriert und zum Laden und Entladen verwendet werden und muss somit nichtersetzt werden. Der Verschleiß der Zelle findet nur auf mechanischer Ebene statt.• Kostengünstig: Von den Elementen ist Zink das 24. Häufigste und damit häufiger alsKupfer und Blei. Entsprechend günstig ist das Material gerade im Vergleich zuseltenen bzw. schwierig zu fördernden Elementen wie Lithium.• Betriebssicherheit und Umweltverträglichkeit: Im Aufbau kommt vergleichsweiseunkritische Kalilauge zum Einsatz. Bei Lithium basierten Speichern besteht beiKontakt mit Luft(-feuchtigkeit) eine Selbstentzündungsgefahr. Ebenfalls entsteht keinWasserstoff.

Reaktionen

Verbesserungsziele von Zink-Luft-Batterien als

Sekundärzellen• Maximaler Wirkungsgrad erhöhen: Der maximale Wirkungsgrad soll verbessertwerden, da dieser im Moment bei 60 % liegt. Im Vergleich hierzu erreichen Blei-Akkuseinen Wirkungsgrad von 80 % und Lösungen mit Lithium-Ionen 95% und mehr.

• Austrocknen verhindern: Durch CO2 Eintrag reagiert der Elektrolyt ab und die Zelletrocknet aus. Auch geringe oder erhöhte Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft könnenden Elektrolyten negativ beeinflussen.

• Dendritenwachstum verringern: Eine beim Laden in Dendriten aufwachsendeZinkschicht kann unter Umständen einen Kurzschluss der Zelle verursachen.

Nicht wieder aufladbareklassische Zink-Luft Batterie

Schematische Darstellung der chemischen Reaktion

Beim Vergleich der Eigenschaften verschiedener Batteriearten siehtman, dass sich die Zink-Luft Batterie durch viele positive Aspekteauszeichnet. Nickel-Metall- Hydrid Zellen und Lithium-Ionen Zellenhaben eine längere Lebensdauer und kürzere Ladezeiten.

Im Vergleich mit anderen Batterietypen hat dieZink-Luft Batterie die höchste Energiedichte

Versuchsdaten

ReVolt Systeme bieten hohe Stromdichten. 250 mA/cm_ bei 0,75 Vergeben 0,188 W/cm_

Luftelektrode – Entladung: Eine Zelle mit 100 mA/cm_ wurde bei 2000 hBetriebsdauer vermessen

Stabilität der Luft-Elektrode: Die Ladung einer Zelle mit 200 mA/cm_ zeigtüber eine Betriebsdauer von über 2000h eine gute Stabilität. Die leichteStreuung lässt sich durch die Sauerstoffbläschenbildung erklären, durch diedie aktive Fläche verringert wird.

Beispielhafte Lade- und Entladevorgang an einer Prototypenzelle

Stand des Projekts und AusblickZiel ist der Einsatz einer Zink-Luft-Sekundär Zelle als Energiespeicher für z.B. Elektroautos oder als Zwischenspeicherung erneuerbarer Energie im Stromnetz. Diese Lösung soll als Alternative zulithiumbasierten Lösungen und herkömmlichen Brennstoffzellen dienen. Ähnlich wie bei der Brennstoffzelle soll das System als Flow Zelle aufgebaut sein. Hierbei dient das Zink als Energiespeicher,welcher allerdings anders als der Wasserstoff bei der Brennstoffzelle, nicht verbraucht wird, sondern wieder aufgeladen werden kann. Die genannten Vorteile, Energiedichte, geringes Gewicht,geringere Materialkosten, hohe Standfestigkeit und die hohe Anzahl an durchführbaren Lade- und Entladezyklen machen die Zink-Luft-Zelle zu einem erfolgsversprechenden Ansatz. Im kleinen Maßstabfunktioniert die Technologie, mit der sich Sekundär-Zellen auf Zink Luft Basis Laden- und Entladen lassen, und ist technisch umgesetzt. Aktuell wird daran gearbeitet, die gewonnen Erkenntnisse zunutzen, um die aufgebauten Zellen zu skalieren. Ein weiterer Ansatzpunkt, an dem gearbeitet wird, um dieses Ziel zu erreichen, ist der Aufbau eines Stack aus mehreren Zellen.

Kommerziell erhältliche SystemeBei allen Vorteilen sind bisher nur wenige Systeme aufZink-Luft-Basis erhältlich. Im Wesentlichen sind diesKnopfzellen, bei denen die hohe Energiedichte benötigtwird. Wieder aufladbare Systeme sind noch nichtverfügbar.

Die Zink-Luft-Batterie besteht aus einer Zinkpulver- oderZinkschwamm-Anode. Die Kathode besteht aus porösemMaterial, über das Luft-Sauerstoff in die Zelle gelangt. AlsElektrolyt dient Kalilauge.Die chemische Reaktion basiert auf der Oxidation vomZink. Der Luftsauerstoff gelangt über kleine Löcher, die biszum Einsatz der Zelle versiegelt bleiben, in die Zelle. Wirddie Luft in die Zelle geführt, ist die Zelle aktiviert und bereitzur Stromentnahme.

Beim Entladevorgang in der Zink-Luft-Batterie wirdZinkmetall mit Luftsauerstoff in einem alkalischenElektrolyten oxidiert.Die Entladung läuft nach folgendem Reaktionsschema ab:Anode: 2Zn + 8OH- 2Zn(OH)42- + 4e-Elektrolyt: 2Zn(OH)42- 2ZnO + 2H2O + 4OH-Kathode: O2 + 2H2O + 4e- 4OH-Gesamtreaktion: 2Zn + O2 + 2H2O 2ZnO + 2H2OBeim Ladevorgang wächst auf der Kupferelektrodeelementares Zink auf, gleichzeitig wird bei diesem Vorgangan der Ladeelektrode Sauerstoff frei, der abgeführtwerden muss.Anode: 4OH- O2 + 2H2O + 4e-Kathode: 2ZnO + 2H2O + 4e- 2Zn + 4OH-Gesamtreaktion: 2ZnO + 2H2O 2Zn + O2 + 2H2O

Zink-Luft-Batterie

Kontakt Westfälische HochschuleProf. Dr. Hans-Joaachim LilienhofNeidenburger Straße 4345877 Gelsenkirchen

Westfälische HochschuleUniversity of Applied SciencesFachbereich Elektrotechnik und angewandte Naturwissenschaften

Tel.: 0209-9596-526Mail: hans-joachim.lilienhof@w-hs.dewww.w-hs.de

Autoren: Christopher Betz, B. Sc. / Mareike Freundlieb, M. Sc. / Prof. Dr. Hans-Joachim Lilienhof / Michael Lupczyk, B. Sc. / Prof. Dr. Michael Schlüter / Prof. Dr. Schröder / Sebastian Seydel, B. Sc