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Kurzfassung

Erreichte Zyklenzahlen für das vollständige elektrische Entladen und Laden von Zink-Luft-Batterien kommen bei weitem nicht an die Zyklenzahlen von Lithiumionen-Batterien heran. Gründe dafür sind Degradationsvorgänge, die zur Verminderung der erreichbaren Lade- und Entladezyklen beitragen. Mit der neu entwickelten Zinkanode wird die Zyklenstabiltät für Energiespeicher verbessert.

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Hintergrund

Batterien mit Zinkanode sind bereits seit längerem bekannt. Eine wirtschaftlich besonders interessante Untergruppe sind Zink-Luft-Batterien. Diese besitzen eine mehr als dreifach höhere theoretische spezifische Energiedichte als herkömmliche Lithiumionen-Batterien.

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Bilder & Videos

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Problemstellung

Im Allgemeinen führen Degradationsvorgänge, wie bspw. die irreversible Formveränderung oder Dendritenbildung an der Anode, zur Verminderung der erreichbaren Lade- und Entladezyklen.

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Lösung

Die neu entwickelte Zinkanode ist zum Schutz gegen diese Formveränderung mit einem Anionentauscher ummantelt. Damit kann sich das beim Entladen einer Batterie entstehende Zinkat nicht im Elektrolyt lösen und steht somit für das sich anschließende Aufladen der Batterie direkt an Ort und Stelle wieder zur Verfügung.

Die neuartige Zinkanode konnte in Laborversuchen mit verschiedenen Anionentauschermaterialien erfolgreich getestet werden. Dabei wurde bereits jetzt im Vergleich zu einem reinen Zinkdraht eine Verdopplung der Haltbarkeit bewirkt (siehe Abbildung). Zurzeit wird für einen Prototypan einer Optimierung der Materialauswahl für den Anionentauscher gearbeitet.

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Vorteile

Das derzeit größte Problem für das elektrische Wiederaufladen von Zinkanoden ist die irreversible Formveränderung (als „shape change“), welche durch diese verbesserte Zinkanode somit in besonderem Maße verringert werden kann. Das führt zu einer größeren Stabilität und zu einer höheren Zyklenfestigkeit bei gleicher Baugröße.

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Anwendungsbereiche

Sie ist neben der Verwendung in Zink-Luft-Batterien auch für Nickel-Zink-Batterien geeignet. Das Anwendungsfeld dieser verbesserten Zinkanodeliegt im Bereich der Energiespeicherung. Durch das eingesetzte Schutzkonzept weist sie eine verbesserte Zyklenstabilität auf und eignet sich damit hervorragend für wiederaufladbare Batterien. Ihre Vorteile hinsichtlich der hohen Speicherdichte können Batterien mit dieser verbesserten Zinkelektrode, insbesondere im Bereich der Kleinelektronik oder aber der Elektromobilität, ausspielen. Der Einsatz ist jedoch nicht nur darauf beschränkt. Durch die verbesserte Haltbarkeit und der daraus resultierenden kompakteren Bauweise eignet sie sich für die Verwendung in jeder Art von mobilen Energiespeichern, die Zink als Aktivmaterial einsetzen.