Rekordwerte: Neuer Zink-Luft-Akku übertrifft alle Erwartungen

Forscher haben einen Katalysator entwickelt, der Zink-Luft-Batterien zu Rekordwerten führt. Durch atomgenau platzierte Eisen- und Kobalt-Atome auf 2D-Kohlenstoffschichten wird ein altes Problem gelöst: die langsame Sauerstoffchemie.

Neue Batterie-Ära: Zink-Luft kann endlich mithalten

Zink-Luft-Batterien gelten seit Langem als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Systemen. Sie bieten hohe Energiedichten und nutzen Zink als kostengünstigen Rohstoff. Doch zwei Reaktionen bremsen ihren Einsatz: die Sauerstoffreduktion beim Entladen und die Sauerstoffentwicklung beim Laden. Beide verlaufen träge und verschlechtern Leistung und Lebensdauer.

Herkömmliche Katalysatoren aus Platin oder Ruthenium beschleunigen diese Prozesse, sind jedoch teuer und meist nur für eine Richtung effizient. Einen Ausweg versprechen Single-Atom-Katalysatoren, bei denen einzelne Metallatome auf Kohlenstoffträgern verteilt sind. Sie nutzen das Material optimal, stoßen aber ebenfalls an Grenzen. Die Lösung der Forschergruppe der Monash University in Australien: benachbarte Eisen- und Kobalt-Atome, eingebettet in zweidimensionale, stickstoffdotierte Kohlenstoffschichten.


Die Forscher nutzten dafür ein ungewöhnliches Verfahren: Sie legten das Ausgangsmaterial - ein Gerüst aus Metall- und Kohlenstoffverbindungen - in ein Salzbad und erhitzten es auf über 900 Grad. Normalerweise würde so ein Gerüst dabei in sich zusammenfallen. Das Salz aber stabilisiert es und "faltet" die Struktur zu hauchdünnen Schichten auf. In diesen Schichten verankern sich einzelne Eisen- und Kobalt-Atome fest im Kohlenstoff.

So entsteht eine Art feinporiger Teppich: riesige Oberfläche, durchzogen von winzigen Kanälen. Das bedeutet: Sauerstoffmoleküle und geladene Teilchen aus dem Elektrolyt können schnell überall hingelangen, statt lange Umwege zu nehmen. Jede aktive Stelle im Material wird so nutzbar gemacht.

Entscheidend ist auch die Rolle des Stickstoffs, der in das Kohlenstoffgerüst eingebaut wird. Manche Stickstoff-Atome verbessern die elektrische Leitfähigkeit, andere verändern die Oberfläche so, dass sich Sauerstoff leichter anlagern oder wieder ablösen kann. Computersimulationen zeigen, dass genau diese Kombination die Energiekosten der Reaktionen senkt.

Praktische Rekorde gemessen

Praktische Messungen bestätigen das: Der neue Katalysator erreicht bei der Sauerstoffaufnahme einen Wert, der bislang nur mit teuren Platin-Katalysatoren erreichbar war - und bei der Sauerstoffabgabe sogar noch besser ist. In einem Zink-Luft-Akku eingebaut, liefert er fast 230 Milliwatt pro Quadratzentimeter Leistung und eine Energiedichte von knapp 1.000 Wattstunden pro Kilogramm. Zum Vergleich: handelsübliche Katalysatoren auf Platin-Basis bleiben deutlich darunter.

Am erstaunlichsten ist die Lebensdauer: Über 74 Tage und mehr als 3.500 Lade- und Entladezyklen blieb die Batterie stabil. Damit zeigt die im Chemical Engineering Journal veröffentlichte Studie, dass diese Technologie nicht nur im Labor glänzt, sondern auch praktisch bestehen kann. Ebenso ließe sich der Ansatz auf andere Energietechnologien übertragen - etwa Brennstoffzellen oder Verfahren zur Umwandlung von CO₂.


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