Zink-Luft-Batterie als Energiespeichertechnologie der Zukunft?

Zink-Luft-Batterie als Energiespeichertechnologie der Zukunft?

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Weltweit wird an Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku geforscht. Die Festkörper-Batterie gilt bereits heute als gesetzter Nachfolger. Aber auch andere Batterietypen, wie beispielsweise die Zink-Luft-Batterie könnten eine Alternative sein: leistungsstark, umweltfreundlich, sicher und gleichzeitig kostengünstig. Wäre da nicht die Sache mit der hohen chemischen Instabilität. Ein Forscherteam um Wissenschaftler Dr. Wei Sun vom MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster habe nun eine neuartige Batteriechemie für die Zink-Luft-Batterie entwickelt, die ihre bisherigen technischen Schwächen überwindet.

Damit soll es möglich sein die parasitäre Reaktionen hervorgerufen durch den alkalischen Elektrolyten, welche zu elektrochemisch irreversiblen Schäden, in den Griff zu bekommen. Die detaillierten Ergebnisse des internationalen Forschungsprojekts, an dem außerdem Forschende der Fudan Universität in Shanghai, der Universität für Wissenschaft und Technik in Wuhan, der Universität Maryland sowie dem US Army Research Laboratory beteiligt waren, hat das Wissenschaftsteam in dem Fachmagazin „Science“ veröffentlicht.

Dr. Wei Sun gibt unter anderem zu verstehen, dass man entscheidende Parameter der Zink-Luft-Batterie optimiert habe: „Unser innovativer, nicht-alkalischer Elektrolyt bringt eine bisher unbekannte reversible Zink-Peroxid (ZnO2)/O2-Chemie für die Zink-Luft-Batterie mit sich“, so der Leiter des Forscherteams. Im Vergleich zu den konventionellen, stark alkalischen Elektrolyten hat der auf dem Salz des Zink-Trifluormethansulfonats basierende wässrige Elektrolyt mehrere entscheidende Vorteile: Durch eine höhere chemische Stabilität und elektrochemische Reversibilität wird die Zink-Anode effizienter genutzt. Dadurch können die Zink-Luft-Batterien 320 Zyklen und 1.600 Stunden in der Umgebung stabil betrieben werden, wie dem Fachmagazin „Science“ zu entnehmen ist.

Des Weiteren wird aus dem dortigen Artikel ersichtlich, dass die Forscherinnen und Forscher mithilfe elektrochemischer, analytischer Techniken und Multiskalensimulationen den Einfluss der ZnO2/O2-Batteriechemie und die Rolle des hydrophoben Trifluormethansulfonat-Anions systematisch untersucht haben. Die dabei identifizierte erhöhte Energiedichte hat nun das Potenzial, mit der derzeit marktbeherrschenden Lithium-Ionen-Batterie zu konkurrieren. „Aufgrund ihrer Vorteile wie Umweltfreundlichkeit, hoher Sicherheit und niedriger Kosten stellt die Zink-Luft-Batterie eine potenzielle alternative Batterietechnologie dar“, betont Wei Sun. „Vor ihrer praktischen Anwendung bedarf diese Technologie jedoch noch weiterer, intensiver Forschung und Optimierung“, so der Forschungsleiter abschließend.

Der israelische Batterieexperten Phinergy ist ebenfalls spezialisiert auf Aluminium-Luft- und Zink-Luft-Batteriesysteme, die ein großes Anwendungspotential für Elektromobilität und stationäre Anwendungen haben. Derzeit arbeite man mit dem indische Mineralöl-Unternehmen IndianOil an der Fortentwicklung der Technologie. Wobei dies unabhängig von den eingangs aufgeführten Aktivitäten der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster geschieht.

Quelle: WWU Münster – Innovative Batteriechemie revolutioniert Zink-Luft-Batterie

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Sebastian hat Elektroauto-News.net im Juni 2016 übernommen und veröffentlicht seitdem interessante Nachrichten und Hintergrundberichte rund um die Elektromobilität. Vor allem stehen hierbei batterieelektrische PKW im Fokus, aber auch andere Alternative Antriebe werden betrachtet.

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Zink-Luft-Batterien gab es aus Israel schon vor mehr als 20 Jahren. Und sie haben sich nicht durchsetzen können, weil die Leistungsdaten nicht überzeugen konnten.
Daraus wird nun wieder eine der vielen „Wunderbatterien“ kreiert, von denen man wahrscheinlich, wie bei den vielen anderen dieser Art, nichts mehr hören wird.

Ich denke es ist immer gut auf vielen Zweigen zu forschen. So hat man am Ende mehr Optionen. Aber die Daten mit 320 Zyklen und 1600 Stunden sagen einem, dass selbst die neue Laborversion weit hinter heutigen Serien Li-Batterien zurück bleibt. Im Auto wird das wohl nichts. Im Auto haben wir eigentlich die höchsten Anforderungen an Lebensdauer, Zyklenfestigkeit, Energiedichte und Ladegeschwindigkeit.
Aber Batterien werden ja künftig nicht nur in Autos verbaut werden. Vielleicht sind Zink-Luft Akkus ja anderer Stelle relevant, z. B. bei der Netzstabilisierung wo eher der kWh Preis zählt. Wir werden sehen.

Ich denke es ist immer gut auf vielen Zweigen zu forschen. […]

Es ist besser, auf den vielversprechendsten Zweigen zu forschen –
angesichts der engen Grenzen durch real stets begrenzte Mittel und Resourcen.

P.S.: Von „Wunderbatterie-Ankündigungen“ höre ich schon, seitdem ich 19xx mit Rulag-Bleiakkus Modellschiffe betrieben habe – gesehen habe ich davon praktisch eher keine …

Laut Wikiedia wurde schon in den 1970er Jahre an dem Prinzip der Lithium-Ionen-Akkus geforscht, 1977 bis 1979 wurde kleine Batterien (Lithiumlegierung, noch keine Akkus) für Uhren verkauft. 1980 Lithium-Cobalt als Material entdeckt. Erfolgreiche industrielle Umsetzung1985 in Japan. Der erste kommerziell erhältliche Lithium-Ionen-Akku von Sony 1991 auf den Markt gebracht. 2020 fanden Forscher heraus, dass Zugabe von Kalium die Akkus langlebiger und sicherer macht.

Manches Ding braucht eben seine Zeit – beim Lithium-Ionen-Akku hat es vom Prinzip bis zum Akku in der Sony-Videokamera etwa 20 Jahre gebraucht. Bei Zink-Luft-Akkus wird ja schon lange geforscht, warum sollte die Sache da nicht kurz vor dem Durchbruch stehen?

Damals gab es ja auch keine Druck, die Forschung und Entwicklung zu beschleunigen. Den haben wir jetzt aber und die Investitionen werden massiv in die Batterie Weiterentwicklung umgeleitet. Wer eine Batterie entwickelt, die sich durch Umrüstung von vorhandenen Produktionslinien produzieren läßt und mit einer hohe Kapazität, geringes Gewicht, geringen Innenwiderstand, lange Lebensdauer, hohe Recycling Fähigkeit, schnelllade Fähigkeit und Sicherheit entwickelt, ist vorne. Und das ist Tesla und seinen Partnern, mit der kürzlich vorgestellten 2170 Zelle. Hier sieht man, das die guten Ideen oft die Einfachen sind, weil sie Zeit sparen, sehe ich niemanden, der den Vorsprung einholen könnte. Wie mit der Skalierung der Anoden Anschlüssen, was ja letztendlich durch Paralellschaltung dieser vielen Anodenabgriffen den Innenwiderstand deutlich senkt und damit die schnell Lade- und Entladefähigkeit enorm steigert, ist „einfach“ (&) genial. Das wurde von der Breiten Masse der Anwesenden gar nicht verstanden, wie man an deren Reaktionen merken konnte.

Last edited 3 Monate zuvor by Stefan

„…mit der kürzlich vorgestellten 2170 Zelle.“

Da war doch sicher der neue größere Typ 4680 gemeint oder?

Schön, dass es bei den Zink-Luft-Akkus Fortschritte gibt, schliesslich wären Preise von 10 Euro pro kWh ein deutlicher Gewinn für die E-Auto wie auch für stationäre Hausspeicher .

Bei meiner Zukunftvision (autarke Strom und Energieversorgung mit PV-Anlage, Pufferbatterie und Wärmepumpe), die etwa 1.000 kWh an Batteriespeicher brauchen würde, wären das 10.000 Euro plus Zusammenbau, Steuerungstechnik, Händlermarge und MwSt. vermutlich um die 30.000 Euro bei Massenproduktion.

Die heutigen Batteriespeicher für Strom von der PV-Anlage mit z.B. 10 kWh kosten um die 10.000 Euro.

Erdwärmepumpe etwa 20.000 Euro (inkl Erdarbeiten).
PV-Anlage 10 kWp ab 16.000 Euro (inkl. Monage – laut EON).
Zusammen ungefähr 40.000 Euro plus Speicherbatterie.

Würde in naher Zukunft die günstigen Zink-Luft-Akkus kommen, dann wäre die autarke Strom- und Energieversorgung für 70.000 Euro für 1-Familienhäuser machbar – verteilt auf 25 Jahre wären es 2.800 Euro pro Jahr bei etwa 10.000 kWh für Haushaltsstrom, Wärmepumpe und E-Auto – also 28 Cent pro Kwh.

Es ist zwar noch eine Zukunftsvision, aber sie rückt immer näher.

Nachtrag:

Verteilt auf 20 Jahre (vorsichtiger kalkuliert) wäre es 3.500 Euro pro Jahr bzw. 35 Cent pro kWh.

Nachtrag 2:

Würde die Wärmepumpe nicht mitgezählt, dann wäre es in 20 Jahren pro Jahr 2.500 Euro bzw. 25 Cent pro kWh.

Na dann sprechen wir uns zum großen Strompreis Vergleich in 20 Jahren wieder. Die 25 steht!
Grüße vom Weihnachtsmann und Osterhasi

Last edited 3 Monate zuvor by Quaster

… betrachtet man etwa die hochgerechnete Lebenserwartung im Jahr 2040. Dann werden Frauen im Schnitt 85,9 Jahre alt werden. Männer kommen auf vier Jahre weniger – 81,8 Jahre.

(Quelle: wiwo.de)

20 Jahre – das könnte knapp werden.

Ich gehe davon aus, dass es schon Ende des Jahrzehnt, also bis 2030 soweit ist, dass es die autarke Strom- und Energieversorgung für 1-Familienhäuser zum „kleinen Preis“ gibt, aber nicht wie jetzt mit PV-Anlage und Wasserstoff, sondern mit PV-Anlage und Batterien.

Die 25 Cent pro kWh für selbsterzeugten, autonomen Komplettstrom (inkl. Abschreibungen für PV-Anlage und Speicherbatterie) halte ich für sehr wahrscheinlich – meine größte Sorge ist eher die Politik und die Einführung einer sogenannten „Sonnensteuer“ als Schutz für Energiekonzerne.

ich würde per dekret in jedes wohnhaus elektrische tag-nacht-speicheröfen(preis 800€) einbauen und den strompreis halbieren und einfrieren, so bitte mal rechnen und nachdenken…….sonne-solarmodul-(speicher)-heizung,wind-(speicher)-heizung….so ein schwachsinn km in die erde bohren…..unfassbar…..exel und rechnen, mit der heutigen technik wäre es immer günstiger mit strom direkt zu heizen……investition in eine nacht-tagspeicher ofen anlage fast null und wartung fast null……..

Preislich würden sich das wohl rechnen, wenn es den Strom viel günstiger gäbe, aber …

Mit Stand 2018 zeigte sich jedoch, dass Nachtspeicherheizungen in der Praxis in aller Regel deutlich zu unflexibel für eine etwaige Integration erneuerbarer Energien sind. Im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts wurde gezeigt, dass eine Flexibilisierung der deutschen Nachtspeicherheizungen nicht zwingend zu einer besseren Integration fluktuierender erneuerbarer Energien führen würde und vermutlich auch nicht kosteneffizient wäre.

(Quelle: Wkipedia)

… dieses Thema ist von Politk und Forschung als „zu unflexibel“ und „vermutlich auch nicht kosteneffizient“ abgehakt worden – also eine Sache für die Technik-Geschichtsbücher.

In Zukunft dürfte es in Richtung „dezentral“ und „autark“ gehen, zum einem wegen den Stromtrassen und dem Widerstand dagegen und zum anderen weil sich die Bürger nicht von den Launen der Politik und der Einmischung der Lobbyisten abhängig machen wollen beim Umweltschutz.

Jetzt bekommt man allmalig den Beweis geliefert, wie man uns seit gedenken veräppelt.
Tesla kommt und schon rücken angebliche Erfindungen um Erfindungen durch die aber schon alle seit Jahrzehnten bei ihnen auf dem Tisch liegen. Akku, Wasserstoff. Lag alles schon vor Ewigkeiten vor und jetzt darf es verwendet werden. Bloß den Fortschritt zur richtigen Zeit einläuten.

So ein Quatsch. Argumentation erübrigt sich.

Hier werden einfach nur lauter inkrementelle Verbesserungsschritte lautstark gefeiert. Auch Tesla hat absolut nichts daran geändert, dass die Kapazität in Schnitt um 10% gesteigert werden kann. Und das mindestens seit 5 Jahrzehnten. Deshalb kommt auch nur der Wunderakku. In der Realität ist der längst da. Einfach mal einen modernen LiPo mit dem vergleichen, was in den 1970igern bei egal welchem Budget zur Verfügung gestanden hätte. Heute halten wir bereits kleine Drohnen für 30 Minuten in der Luft als wäre es selbstverständlich. 1970 wärst du froh gewesen 1-2 Minuten mit einem Gerät ohne relevanter Gleitfähigkeit unter 250g zu schaffen.

Das liegt eben nicht schon Jahrzehnte in der Schublade, sondern ist das Ergebnis harter Arbeit von hunderten Forschungsgruppen über Jahrzehnte.

Sollte „10% pro Jahr“ lauten …

Ja wenn der BEV-Fans das gewusst hätte, ja dann hätte er sicherlich so ein BEV in Erwägung gezogen: https://www.autotrader.com/car-news/toyota-rav4-ev-has-had-two-obscure-generations-281474979930553 und nun? Nun sieht es so aus: https://topmostpopular.com/game-changing-battery-could-end-combustion-engine-vehicles/

Auch wenn ein bischen spät ist, so will ich noch auf diese Angaben eingehen.

Dadurch können die Zink-Luft-Batterien 320 Zyklen und 1.600 Stunden in der Umgebung stabil betrieben werden, wie dem Fachmagazin „Science“ zu entnehmen ist.

320 Zyklen mal 312,5 km ergibt 100.000 km oder 8 Jahre bei einem Durchschnittfahrer.

100.000 km geteilt durch 1.600 Stunden ergibt eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 62,5 km/h, das entspricht Landstrassenfahrten mit 80 – 90 km/h inkl. Ortsdurchfahrten.mit bis zu 50 km/h.

Also wenn diese Daten in der Praxis gelten und die Batterien wie angenommen nur 10 Euro pro kWh kosten würden, dann wäre ein Wechsel alle 8 Jahre sogar günstig. 3 Batterien ergäben 300.000 km und 24 Jahre Betriebszeit bei durchschnittlich 12.500 km pro Jahr – in Summe 30 Euro pro kWh.

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