Zn/Luft Batterien

Motivation

Die letzten Fortschritte im Bereich elektro-mechanische Systeme und elektronische Komponenten haben zur Entwicklung  einer neuen Generation von Sensoren und Aktoren geführt.  Diese Systeme benötigen oft eine autarke Energieversorgung, die ebenso miniaturisiert werden muss. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte (820 Ahg-1), und der nicht giftigen und preiswerten Komponente, stellt die Zink/Luft-Batterie ein attraktives Speichermedium dar. Trotz dieser Vorteile konnte sich das Zink/Luft-System, abgesehen von dem Einsatz als primäre Knopfzelle in Hörgeräten, bisher weder für stationäre noch für mobile Anwendungen auf dem Markt durchsetzen. Gründe dafür sind vor allem die hohen technischen Anforderungen, die aus der Kombination einer Metallelektrode mit einer Gasdiffusionselektrode resultieren. Hierbei sind die geringe Reversibilität der Zink-Elektrode, der niedrige energetische Lade/Entlade-Wirkungsgrad, die Dendritbildung beim Laden sowie die Karbonatfällung in der Luft-Elektrode und das Elektrolytmanagement beim langzeitigen Betrieb  zu nennen.

 

Strategie

Der KOH-Elektrolyt wird meistens in einem Vlies/Separator-Verbund fixiert. Flüssige Elektrolyte besitzen in der Regel eine höhere ionische Leitfähigkeit, bergen aber vor allem durch die Gasdiffusionselektrode ein erhebliches Leckagepotential in sich. Aus diesem Grund werden alternative Systeme untersucht. Die üblicherweise verwendete Kalilauge soll deshalb in geeigneter Weise, z. B. durch Erhöhung der Viskosität, fixiert werden. Im ZiLuZell Projekt, wurden TiO2-modifizierte Polyvinylalkohol-Membranen (PVA) in der HS Mannheim hergestellt,  zusammen mit einer Zink-Paste und einer Luft-Elektrode bei der Fa. Varta Microbattery in einer Knopfzelle eingebaut und im DECHEMA Forschungsinstitut getestet.

 

Ergebnisse

Der Zusammenbau der Zelle ist in Abb. 1 dargestellt

Abb.1

 Abb.1: (Links) Zink-Aktivmasse, (mitte) TiO2-modifizierte PVA-Membran und (rechts) fertige Zelle

 

In dieser Messreihe zeichnen sich vor allem die Zellen mit dünnen PVA-Membranen (205 & 214) durch eine 4 bis zu 8 % höhere Kapazitäts- und Energie-Werte im Vergleich zu den kommerziellen Zellen aus.  Auch die Zellspannung lag bei einem 20 mA-Entladestrom ca. 20-25 mV oberhalb dessen an der Cochlear-Zelle gemessen wurde.

 Abb.2

Abb. 2: (Links)  Entladekurven von Zellen mit zwei unterschiedlichen PVA-Membranen bei 10 mA-Entladestrom. Als Vergleich dient die Entladung von zwei kommerziellen Zn/Luft-Zellen der Fa. Varta. (Rechts) U-I-Kurven bei 0%-Entladetiefe.

 

Eine ausführliche Zusammenfassung der Ergebnisse ist im Schlussbericht zum Teilvorhaben "ZiLuZell - Elektrochemische Untersuchungen zur Kathoden- bzw. Anodenentwicklung", J.-F. Drillet (2011) bei der Technischen Informationsbibliothek  (TIBORDER) ausleihbar.

Kontakt:
Dr. Jean-Francois Drillet
Telefon: 069 / 75 64-476
Telefax: 069 / 75 64-388
E-Mail: drillet
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