Schwammartige Elektroden für sicherere Akkus

Lithiumionen-Akkus sind leistungsfähig, bergen aber – je nach Verarbeitung – ein Explosionsrisiko. Eine sichere Alternative schlagen Wissenschaftler nun mit einem neuen Ansatz für Nickel-Zink-Batterien vor, die sich bisher nicht mehrfach aufladen ließen. In der Fachzeitschrift „Science“ berichten sie über erste Prototypen, die sogar eine mit Lithiumionen-Akkus vergleichbare Speicherkapazität liefern. Verantwortlich dafür ist der schwammartige Aufbau der Elektrode, der einen Kurzschluss in den Nickel-Zink-Batterien verhindert.

„Der Schlüssel zu wiederaufladbaren Zink-Batterien liegt im kontrollierten Verhalten des Metalls während der Ladezyklen“, berichtet Joseph Parker vom U.S. Naval Research Laboratory in Washington. Bisher enthielten diese Batterien Anoden aus Zinkpulver, in denen beim Ladeprozess längliche Kristallstrukturen – sogenannte Dendriten – wuchsen. Diese durchstießen die Trennschicht zwischen den Elektroden und verursachten Kurzschlüsse mit der Nickel-Kathode. Daher tauschten Parker und seine Kollegen das Zinkpulver gegen einen porösen Metallschwamm aus Zink aus. Dank dieser dreidimensionalen Struktur entstanden während der Ladezyklen keine Dendriten.

Parker und Kollegen testeten die Ladeeigenschaften mehrerer Prototypen, die aus Stapeln von Metallelektroden und Trennmembranen, jeweils umhüllt von einem Nylonmantel, bestanden. So entluden sie eine Nickel-Zink-Batterie möglichst tief und erhielten mit mehr als hundert Wattstunden pro Kilogramm bei einer konstanten Spannung von 1,93 Volt eine spezifische Energie vergleichbar mit Werten von kommerziellen Lithiumionen-Akkus. Damit schöpft die Batterie gut neunzig Prozent ihrer theoretischen Kapazität aus. Allerdings hält der Stromspeicher dieser starken Beanspruchung nur knapp hundert Ladezyklen stand. Die Stabilität müsste auf einige Tausend Ladezyklen steigen, um Lithiumionen-Akkus ersetzen zu können.

Deutlich länger hielten Nickel-Zink-Batterien, wenn sie nur teilweise entladen wurden. Diese Stabilität gipfelte in über 50 000 Ladezyklen bei einer spezifischen Energie von bis zu vierzig Wattstunden pro Kilogramm. Mit diesem Wert kann der Akku mit herkömmlichen Bleisäure-Systemen konkurrieren, die man als Starterbatterie in Autos nutzt. Deutlich leichter als Blei-Batterien müssten Nickel-Zink-Batterien nur alle zehn Jahre ausgetauscht werden.

In bereits geplanten Versuchen wollen Parker und seine Kollegen das große Potenzial von wiederaufladbaren Batterien mit schwammartig aufgebauten Elektroden aus Zink noch genauer überprüfen. Auch eine höhere Stabilität bei tiefer Entladung halten sie für möglich. Gelingt dieser Schritt, lockt eine Technologie, die mit Zink und Nickel günstige und weltweit gut verfügbare Materialien nutzt, die sich zudem noch effizient recyceln lassen.