Neben Blei, Nickel und Lithium gehört Zink mit einer theoretischen Kapazität von 820 mAh pro Gramm zu den etablierten aktiven Materialien für elektrochemische Energiespeichersysteme. Bereits 1866 wurde die erste kommerziell erhältliche Zink-Batterie von Georges-Lionel Leclanché patentiert und kurz darauf für die Energieversorgung des Telegraphen in Belgien eingesetzt. Das galvanische Leclanché-Element besteht aus einer amalgamierten Zink-Anode und einer Mangan-Kohlenstoff-Kathode.
Der kommerzielle Durchbruch gelang vor allem dank des Einsatzes eines weniger korrosiven Ammoniumchlorid-Elektrolyten, der wenige Jahre später in einen Gelzustand überführt wurde und als Vorläufer der »Trockenbatterie« gilt. Weiteren Entwicklungen zufolge kamen die Zink-Kohle, die Zink-Chlorid und die alkalische Zink-Mangan als nicht wiederaufladbare primäre Zellen auf den Markt. Letztere weist ein gesamtes Jahresvolumen von ca. 22.500 t vorwiegend aus primären zylindrischen Zellen auf, was immer noch 62 % der im Jahr 2018 in Deutschland eingeführten Zellmenge ausmacht.
Trotz enormer Anstrengungen gelang es bisher nicht, eine elektrisch wiederaufladbare Zink-Batterie in den Markt einzuführen. Als Hauptgründe hierfür sind u. a. die H2-Entwicklung, die Zinklöslichkeit bzw. Dendritenbildung und vor allem die beschränkte Stabilität des Manganoxids zu nennen, welche vom pH-Wert des Elektrolyten abhängig sind. Um einige Probleme der alkalischen Elektrolyten zu vermeiden, setzt das Funktionsprinzip der Zn-Ionen-Batterie (ZIB) wie die Leclanché Zelle auf einen pH-neutralen Elektrolyten 1.
Am 01.01.2019 ist das ZIB-Verbundprojekt im Rahmen des vom BMBF geförderten Bat2020-Programmes gestartet. Das Konsortium besteht aus den Firmen Hoppecke Batterien und Grillo-Werke sowie den Forschungseinrichtungen Universität Bremen, Fraunhofer IFAM, TU Clausthal und DLR Ulm. Die Hauptaufgabe des DFI im ZIB-Verbundprojekt besteht darin, ein stabiles Manganoxidmaterial für die Zn-Ionen Batterie zu entwickeln. Die Materialeigenschaften werden in prismatischen bzw. zylindrischen Zellen vom Typ 26650 getestet und für stationäre Anwendungen, wie z. B. Heimspeicher, optimiert. In der ersten Projektphase wurden α-MnO2 und δ-MnO2 Pulver über eine »solid-state«-Synthese bei 700° C hergestellt und zuerst in Knopfzellen auf ihre Leistung und Stabilität hin getestet. Bei einer Stromdichte von 30 mA/g MnO2 wurde Kapazitäten von bis zu 220 mAh/g MnO2 gemessen. Die Langzeitstabilität der Zellen erwies sich dennoch als unzureichend. Zurzeit wird an der MnO2-Synthese über eine Hydrothermal-Synthese gearbeitet.
Dr.-Ing. Jean-François Drillet
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