Zink-Ionen-Batterien zählen zu den Hoffnungsträgern unter den wiederaufladbaren Stromspeichern. Weil sie die strengen Vorgaben für stationäre Energiespeicher erfüllen – Umweltverträglichkeit, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit –, wird dieser Batterietyp als Puffer für den fluktuierenden Wind- und Solarstrom diskutiert. Denn Zink-Ionen-Akkus enthalten, anders als Lithium-Ionen-Akkus, weithin verfügbare Materialien und kommen überdies ohne brennbare oder giftige Elektrolyte aus. Zudem versprechen sie ähnlich hohe Energiedichten und Kapazitäten wie Lithium-Ionen-Zellen.

Allerdings ist der Zink-Akku noch weit von der Marktreife entfernt. Ein Grund ist die geringe Stabilität und die damit verbundene eingeschränkte Lebensdauer. Wegen ihres großen Potentials haben es sich zahlreiche Forschergruppen zum Ziel gesetzt, die Schwachstellen zu beheben und dem Zink-Ionen-Akku zum Durchbruch zu verhelfen.

Ein Zink-Ionen-Akku besteht aus einer Anode aus metallischem Zink und einer Kathode aus Mangan- oder Vanadiumdioxid sowie einem wässerigen Elektrolyten, meist eine Salzlösung. Beim Entladen setzt die Anode Zink-Ionen frei, die zur gegenüberliegenden Elektrode durch den Elektrolyten wandern. Beim Laden kehrt sich der Vorgang um.

Problem Korrosion

Eine der größten Herausforderungen ist nach wie vor die Korrosionsgefahr der Zink-Anode bei Kontakt mit dem wässrigen Elektrolyten, schreiben zwei Batterieforscher von der Universität Bremen in den „Nature Communications“. Ein Anzeichen dafür ist die Wasserstoffentwicklung. Weil bei der Korrosion aktives Zink verloren geht, verringern sich im Laufe der Zeit Kapazität und Energiedichte, was die Lebensdauer verkürzt. Hinzu kommt die Bildung sogenannter Dendriten beim häufigen Wiederauf­laden. Dabei entstehen infolge elektrochemischer Prozesse an der negativen Elektrode lange, spitze Zinkkristalle. Diese Dendriten reduzieren zusätzlich das aktive Zink der Anode und – das ist die größte Gefahr – lösen bei Kontakt mit der gegenüberliegenden Kathode einen Kurzschluss aus, was den Akku zerstört.

Mit Schutzschichten auf der Zinkanode und einem besonderen Design der Elektrode hoffen die Forscher, die Gefahr der Korrosion und der Dendritenbildung zu verringern. Forschern des Naval Research Laboratory in Washington ist das unlängst mit einem porösen Metallschaum aus Zink gelungen, den sie als Anodenmaterial verwendeten. Eine weitere Stellschraube ist der Elektrolyt – üblicherweise ein in Wasser gelöstes Zinksalz.

Chinesische Forscher von der Tianjing-Universität konnten die Dendritenbildung mit einem nicht brennbaren organischen Elektrolyten unterdrücken. Die Flüssigkeit aus einem wasserhaltigen Zinksalz und einem Alkohol als Lösungsmittel bildete eine Schutzschicht an der Zinkanode, wie Daliang Han und seine Kollegen in „Nature Sustainability“ schreiben. Ihr Prototyp überstand bereits rund 4000 Lade- und Entladezyklen unbeschadet. Auch die Kapazität pro aktiver Fläche kommt schon in den Bereich der Lithium-Batterie. Nun gilt es, den Zink-Ionen-Akku weiter zu optimieren.