Zink-Luft-Batterien

Zink-Luft-Batterien sind als Energielieferanten für Hörgeräte bereits heute weit verbreitet, wobei sie jedoch nur als Primärzellen dienen. Ihr allgemeiner Aufbau ist in Abbildung 1 skizziert. Während sie bedingt durch den geringen Preis und die große Verfügbarkeit des Anodenmaterials[1] generell einen großen Vorteil aufweisen und zudem eine stabile Spannung abgeben, stoßen Versuche zu ihrer Kommerzialisierung auf unterschiedliche Hindernisse.

Abbildung 1. Generelles Funktionsprinzip einer Zink-Luft-Batterie.

Kathoden für Metall-Luft-Batterien sind zunächst sehr empfindlich und benötigen häufig teure Katalysatoren (rot in Abbildung 1). Sie fallen zudem, je nach Luftfeuchte, oft durch Flutung oder Austrocknung aus. Ferner zeigt wässrige KOH-Lösung, die als der derzeitige „state of the art“-Elektrolyt angesehen werden kann, keine ausreichende Stabilität wie sie für Langzeitnutzungen wichtig ist. Dieser Elektrolyt zeigt eine Anfälligkeit zum Verlust von Wasser, sowie die Tendenz mit dem CO₂ der Luft zu reagieren und Carbonate zu formen, was zu einem Leitfähigkeitsverlust führt. Ferner können während des Nachladevorganges Dendriten entstehen, die zu einem Kurzschluss führen können. Die Bildung von Dendriten stellt somit ein potentielles Sicherheitsrisiko dar. Die Entstehung und Ausfällung von Zinkoxid und -carbonat führt zum Verlust von aktivem Material und bewirkt eine Verstopfung der Gasdiffusionselektrode (GDE). Ein weiteres Problem für die Stabilität des Elektrolyten stellt die Bildung von Superoxiden dar, die im Laufe der elektrochemischen Reaktion an der Kathode gebildet werden und den Elektrolyten zersetzen. Die Probleme der Zink-Luft-Batterien sind in Abbildung 2 zusammengefasst.

Abbildung 2. Herausforderungen auf dem Weg zu Nachladbaren Zn-Luft-Batterien.

Verglichen mit klassischen Elektrolyten können ionische Flüssigkeiten so maßgeschneidert werden, dass mit ihnen die oben erwähnten Probleme nicht auftreten. Die meisten ionischen Flüssigkeiten reagieren beispielsweise nicht mit CO₂. Der extrem niedrige Dampfdruck von ILs verhindert das Problem der Austrocknung grundsätzlich. Darüber hinaus können ionische Flüssigkeiten wie im Falle von Lithium-Schwefel-Batterien  das Dendriten-Wachstum  unterdrücken. Einige ionische Flüssigkeiten sind ferner in der Lage, die Leistung der Batterie zu steigern und gleichzeitig eine bessere Löslichkeit von Zinkderivaten zu gewährleisten. Dies bedeutet eine Minimierung des Verlustes an aktiver Masse durch Ausfällung. Des Weiteren bieten bestimmte ionische Flüssigkeiten ein großes Lösungsvermögen für Sauerstoff,  und zeichnen sich durch ihre Verträglichkeit mit anderen Batterie-Komponenten aus. Auch ein Korrosionsschutz der Elektroden kann durch einige ionische Flüssigkeiten  erreicht werden.

Im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes LuZi (Förderkennzeichen 03SF0499G) wurde  der Einsatz ionischer Flüssigkeiten als Elektrolyte für Zink-Luft-Batterien intensiv untersucht. Ein wesentliches Resultat des Projektes ist,  dass die beste Performance mit Mischungen aus ILs und Wasser erreicht wird. Dieser Batterie-Typ wird in Kürze im Rahmen von Folgeprojekten weiter untersucht.

Wenn Sie Interesse daran haben, ionische Flüssigkeiten in Zn-Luft-Batterien einzusetzen und dieses Thema mit uns besprechen möchten, zögern Sie bitte nicht uns zu kontaktieren.

Text and illustration: Dr. Svetlana Cadu, 2018, Übersetzung: Dr. Sascha Wiechmann.