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Batterien Nickel-Zink-Akkus als Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus

Autor / Redakteur: Stefan Parsch, dpa / Sebastian Gerstl

Lithium-Ionen-Akkus sind aufgrund ihrer positiven Eigenschaften weit verbreitet. Allerdings neigen sie dazu, zu überhitzen, sogar zu explodieren. Forscher stellen eine mögliche Alternative vor.

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Nickel-Zink-Akkus sind derzeit vor allem im gebraüchlichen Mignonzellen-Format verbreitet. Ein am U.S. Naval Research Laboratory entwickelter, neuartiger Ansatz verspricht nun, diesen Batterietyp als ungefeährlichere Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus auch in größeren Bauformen zu platzieren.
Nickel-Zink-Akkus sind derzeit vor allem im gebraüchlichen Mignonzellen-Format verbreitet. Ein am U.S. Naval Research Laboratory entwickelter, neuartiger Ansatz verspricht nun, diesen Batterietyp als ungefeährlichere Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus auch in größeren Bauformen zu platzieren.
(Bild: NiZN-AA.gif / Sky1980 / Wikipdia / BY-SA 3.0)

Ein neu entwickelter Nickel-Zink-Akku ist im Labor so leistungsstark wie ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku, dabei aber deutlich leichter. Auch sei er weniger feuer- und explosionsgefährlich, schreiben US-Forscher im Fachmagazin „Science“. Sie hatten die Zink-Elektrode als schwammartige Struktur ausgestaltet und so ein lange bestehendes Problem dieser Komponente gelöst: wachsende Kristallisierungen, die zu einem Kurzschluss führen können.

Die Forscher um Debra Rolison vom U.S. Naval Research Laboratory (Washington, DC) führen weitere Nachteile der Lithium-Ionen-Akkus an: Die verwendeten Rohstoffe Lithium und Kobalt würden knapp, sie machten den Akku auch recht teuer. Zudem gebe es nur eine begrenzte Infrastruktur für die Wiederverwertung gebrauchter Akkus. Dennoch: „Trotz dieser Nachteile sind Lithium-Ionen-Akkus weit verbreitet, weil sie eine hohe Energiedichte, eine hohe spezifische Leistung und eine lange Lebensdauer bieten“, schreiben die Forscher. Diese Merkmale müssten auch von einem alternativen Batteriesystem erfüllt werden, wenn es größere Marktanteile erringen solle.

Weltweit gibt es zahlreiche Ansätze für neue Batterie- und Akkutechnologien, eine davon ist der Nickel-Zink-Akku. Doch bisher gab es ein Hauptproblem: Je öfter der Akku ge- und entladen wurde, desto länger wuchsen sogenannte Dendriten – Kristallisierungen, die elektrochemisch bei den Ladevorgängen entstehen. Dendriten können die Leistung des Akkus stark einschränken und, wenn sie die andere Elektrode erreichen, einen Kurzschluss auslösen.

Rolison und Kollegen gestalteten die Zink-Anode als hochporösen Monolithen, also eine Art Metallschaum, durchdrungen von Kalziumhydroxid. Eine wässrige Lösung mit Kaliumhydroxid und Lithiumhydroxid als Elektrolyt trennt sie von der Kathode aus Nickel(III)-oxidhydroxid. Dieser Aufbau hilft offenbar gegen Kristallisierungen: Selbst nach über 50 000 Zyklen seien an der Zink-Elektrode unter dem Elektronenmikroskop keine Dendriten zu sehen gewesen. Wenn die Forscher den Ladungsspeicher als Einmal-Batterie verwendeten, gelang ihnen eine Entladung von mehr als 90 Prozent der theoretisch möglichen Entladung.

Bei Akkus ist dieser Entladungsgrad deutlich geringer: Bei 40 Prozent Entladung und 100 Schnellladezyklen erreichten die Wissenschaftler nach eigenen Angaben eine spezifische Leistung, die mit derjenigen von Lithium-Ionen-Akkus vergleichbar ist. Deshalb sei ihre Technologie sogar geeignet, Bleiakkus in Fahrzeugen zu ersetzen, schreiben Rolison und Kollegen. Sie errechneten auch, dass ihr Nickel-Zink-Akku 100 Kilogramm Gewicht sparen würde, wenn er die spezifische Kapazität des Elektroautos Nissan Leaf (24 Kilowattstunden) bereitstellen würde.

Andere Experten sind jedoch nicht so optimistisch, dass es bald größere Änderungen bei der Batterietechnologie geben wird. Lithium-Ionen-Akkus „werden auch in den nächsten zehn Jahren die einzigen sein, die in der Lage sind, Smartphones, E-Bikes oder Autos anzutreiben““, sagte Dominic Bresser vom Helmholtz-Institut Ulm (HIU) im März. Er geht davon aus, dass es gelingen werde, diese Akkus hitzebeständiger zu machen.

Ein grundsätzliches Problem mit der Technologie von Lithium-Ionen-Batterien gebe es nicht, sagen Fachleute. Die zunehmende Zahl von Unfällen führen sie größtenteils auf die stark gestiegene Zahl von Akkus in Elektrogeräten zurück.

Der Hauptgrund für Unglücke mit Lithium-Ionen-Akkus seien falsche Behandlung und Fehler bei der Anwendung. Dies betonte in diesem Zusammenhang auch noch einmal Ralf Diekmann, Sprecher für Produktsicherheit beim TÜV Rheinland. Akkus würden nun mal Feuchtigkeit, Überlastung und extreme Temperaturen nicht vertragen.

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