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Katalysator macht Zink-Luft-Akkus langlebiger
Strom aus Zink und Luft: Zink-Luft-Batterien versprechen hohe Energiedichten, lassen sich aber bisher nur schwer wiederaufladen. Ein neuer Katalysator ermöglicht in einer Laborzelle mehr als 100 Lade- und Entladezyklen sowie über 300 Stunden Betrieb. Gegenüber einer Vergleichszelle mit Edelmetall-Katalysatoren erreicht sie zudem fast die doppelte maximale Leistungsdichte.
Darmstadt (Deutschland). Zink-Luft-Batterien nutzen Sauerstoff aus der Umgebungsluft, um elektrische Energie zu gewinnen. Dadurch müssen sie nicht sämtliche Reaktionsstoffe im Gehäuse speichern und können theoretisch viel Energie pro Gewichtseinheit bereitstellen. Doch im Alltag dominieren Einwegbatterien, wie sie etwa in Hörgeräten zum Einsatz kommen. Wiederaufladbare Varianten sind bislang technisch schwierig umzusetzen.
Denn beim Entladen wird Sauerstoff an der Luftelektrode chemisch reduziert. Beim Aufladen muss die umgekehrte Reaktion ablaufen und Sauerstoff wieder freigesetzt werden. Beide Vorgänge benötigen einen geeigneten Katalysator. Viele bisherige Materialien arbeiten jedoch nicht in beiden Richtungen dauerhaft effizient und verlieren mit der Zeit an Leistung.
Forscher der Technischen Universität Darmstadt (TU Darmstadt) um Prof. Jörg J. Schneider haben nun einen Katalysator für beide Sauerstoffreaktionen entwickelt und in wiederaufladbaren Zink-Luft-Laborzellen erprobt. Er basiert auf Nickel, Eisen und einer besonderen Kohlenstoffstruktur. Auch seine elektrochemischen Eigenschaften und seine Stabilität untersuchte das Team systematisch.
Das Herzstück sind winzige Partikel aus Nickelferrit, einer Verbindung von Nickel, Eisen und Sauerstoff mit einer sogenannten Spinell-Kristallstruktur. Die Forscher befestigten diese Partikel auf Kohlenstoff-Nanohörnern, also auf zu Bündeln angeordneten, röhrenähnlichen Nanostrukturen. In deren Oberfläche bauten sie zusätzlich Stickstoff und Phosphor ein.
Diese Kombination soll mehrere Schwachstellen gleichzeitig beseitigen. Der Kohlenstoff erleichtert den Transport elektrischer Ladungen und hält die Nickel-Eisen-Partikel verteilt. Seine feine Porenstruktur lässt zudem Sauerstoff und die flüssige Elektrolytlösung an die aktiven Oberflächen gelangen. So entstehen günstige Kontaktstellen für die beiden Sauerstoffreaktionen, wie die Forscher erklären.
Wie leistungsfähig das Verbundmaterial ist, testete das Team in Zink-Luft-Zellen mit einer Anode aus Zinkoxid und Kohlenstoff. Als Vergleich diente ein gebräuchlicher Katalysator aus Platin auf Kohlenstoff und Rutheniumoxid. Bei der maximalen Leistungsdichte erreichte die Zelle mit dem neuen Material 54 Milliwatt pro Quadratzentimeter, die Vergleichszelle dagegen nur 28 Milliwatt pro Quadratzentimeter.
Entscheidend für wiederaufladbare Batterien ist allerdings nicht nur die Leistung beim Entladen, sondern auch die Beständigkeit beim wiederholten Aufladen. In diesen Versuchen blieb die Spannungslücke zwischen Laden und Entladen mit dem neuen Katalysator über mehr als 300 Stunden weitgehend konstant. Beim Edelmetall-Vergleich verschlechterte sich das Verhalten bereits nach rund 50 Stunden deutlich.
In den Untersuchungen erreichte die Zink-Luft-Zelle mit dem neuen Material mehr als 100 Lade- und Entladezyklen. Der Vergleichskatalysator hielt in der entsprechenden Auswertung 35 Zyklen durch. Untersuchungen der verwendeten Elektrode zeigten zudem, dass die Nickelferrit-Partikel nach längerem Betrieb ihre Struktur weitgehend behalten hatten und praktisch keine Nickel- oder Eisenbestandteile in den Elektrolyten übergegangen waren.
Das Team führt die höhere Stabilität unter anderem auf die feste Verankerung der Kristallteilchen und die mit Stickstoff und Phosphor veränderte Kohlenstoffoberfläche zurück. Beides kann den Ladungstransport verbessern und verhindern, dass die aktiven Partikel zusammenklumpen oder sich ablösen. Die Messungen liefern damit Hinweise darauf, warum der neue Katalysator länger arbeitet.