EINE ELEKTRISCH WIEDERAUFLADBARE ZINK/LUFT-ZELLE MIT IONIC LIQUID ELEKTROLYTEN

Bild Forschungsprojekt

Der Bedarf an effizienten, umweltfreundlichen und sicheren Energiespeichern wächst stetig. Um die Lithium-Ressourcen zu schonen und etablierte, aber energiearme Blei- bzw. NiCd-Industrieakkumulatoren abzulösen, sind weitere innovative Technologien gefragt. Mit einer theoretischen gravimetrischen Kapazität von 820 mAh/g Zink zählt das Zink/Luft-System zumindest auf dem Papier zu den vielversprechenden Kandidaten für portable, stationäre und mobile Anwendungen.

Aufgrund der untoxischen Komponenten, relativ zahlreichen Zinkvorkommen, guter Umweltverträglichkeit, preiswerter Herstellung und nicht zuletzt der nicht explosiven Eigenschaften genießt die Zelle unter den Experten eine gewisse Akzeptanz trotz spürbarer Skepsis. Denn bisher konnte sich nur die nicht-wiederaufladbare Knopfzelle als Energielieferant für Hörgeräte auf dem Markt behaupten. Davon werden allein bei Varta Microbattery in Erlangen über 1 Mio. Zellen täglich produziert. Die zahlreichen Versuche, eine elektrisch wiederaufladbaren Zelle auf dem Markt einzuführen, sind bisher weitestgehend gescheitert. Dies liegt vorwiegend an den inhärenten Eigenschaften der GDE (siehe Artikel) und des alkalischen Elektrolyten. Die Dendritbildung spielt hier zunächst eine untergeordnete Rolle. Abgesehen von der Neigung zur Karbonatbildung erweist sich das Elektrolytmanagement in halboffenen Zellen mit flüssigem/wässrigem Elektrolyten als sehr problematisch.

Die Zink/Luft-Knopfzelle im Hörgerät funktioniert deshalb so gut, weil im Ohrbereich ständig ein Feuchtigkeitsgehalt im Bereich von 40 bis 70% herrscht. Dank der raschen Entwicklung ionischer Flüssigkeiten (ionic liquid: IL) sind in letzter Zeit neue Perspektiven für Energiespeicher entstanden. Aufgrund ihres niedrigen Dampfdrucks und ihrer geringer Neigung zur Karbonatbildung stellen sie eine hochinteressante Alternative zu den alkalischen Systemen dar. Diese neuartigen Elektrolyte müssen dennoch die jeweiligen Elektrodenreaktionen begünstigen, ein breites Potentialfenster und eine hohe ionische Leitfähigkeit besitzen sowie die Bildung einer 3-Phasengrenze in der GDE erlauben.

DEMATfO und ZnTfO

Im Rahmen des LuZi-Projekts wurden am DFI verschiedene ILs auf Ihre Eignung als Elektrolyt für die Zn/Luft-Batterie unter Halb- und Voll-Zellen-Bedingungen untersucht. Tendenziell werden protonenhaltige Mischungen bevorzugt, die eine Übertragung von 2 bzw. 4 Elektronen während der Sauerstoffreduktion erlauben. Die besten Ergebnisse wurden bisher mit einer Mischung aus Diethylmethylammonium-Triflat (DEMATfO) und Zink-Triflat (ZnTfO) in feuchter Luft erzielt.

Hiermit konnte zum ersten Mal die Machbarkeit einer elektrisch wiederaufladbaren Batterie über 700 h (140 Zyklen) mit einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt und ohne CO2-Filter demonstriert werden. Der energetische Wirkungsgrad und die reversible Kapazität betrugen dabei ca. 60% bzw. 100 µAh. Im Vergleich zu konventionellen alkalischen Zellen sind die Stromdichten allerdings um circa zwei Größenordnungen geringer. Die reversible Kapazität muss ebenfalls deutlich gesteigert werden. Die anstehenden Arbeiten fokussieren auf die Untersuchungen von ILs mit höherer Oberflächenspannung.

Dr. Jean-Francois Drillet

Bildquelle(n):Dr. Jonathan Bloh

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