Basierend auf Zink: Neue Batterie übersteht 5.500 Ladezyklen

Forscher:innen der Fudan-Universität und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben eine fließfähige Zink-Batterie entwickelt, die eine zentrale Schwachstelle bisheriger Zink-Flussbatterien überwindet. Statt einer starren Zink-Elektrode nutzt das System eine zirkulierende Suspension aus Zink-Nanopartikeln, die kontinuierlich zwischen Tank und Zelle fließt. In Labortests lief eine symmetrische Testzelle 5.128 Stunden lang ununterbrochen, bei einer Coulomb-Effizienz von 99,94 Prozent.

Langzeitspeicher gelten als eine der größten offenen Baustellen der Energiewende. Lithium-Ionen-Akkus decken kurzfristige Schwankungen gut ab, stoßen bei mehrstündigen oder mehrtägigen Speicherzyklen aber an wirtschaftliche und technische Grenzen. Zink gilt seit Jahren als vielversprechende Alternative, günstig, ungiftig und in großen Mengen verfügbar. Bisherige Zink-Flussbatterien scheiterten jedoch regelmäßig an der Haltbarkeit der Elektrode.

Von der starren Elektrode zur fließenden Suspension

Herkömmliche Zink-Flussbatterien scheitern häufig an einem physikalischen Problem: Beim Laden und Entladen wächst Zink ungleichmäßig auf der Elektrodenoberfläche, verklumpt und verliert dadurch elektrochemische Aktivität. Das chinesische Team umgeht dieses Problem, indem es Zink selbst zum Transportmedium macht. Nanoskalige Zink-Partikel bewegen sich eingebettet in ein leitfähiges Kohlenstoffgerüst durch die Zelle, während ein speziell abgestimmtes Elektrolyt mit Liganden die Partikeloberflächen stabilisiert. Diese Kombination verhindert unkontrolliertes Kristallwachstum und hält die Zink-Zink-Ionen-Umwandlung über Tausende Zyklen reversibel.

Senior-Autor Fei Wang beschreibt gegenüber Tech Xplore den Ursprung der Idee: Ein Besuch in einer Zink-Elektrolyseanlage habe ihn auf den Gedanken gebracht, den industriellen Prozess der Zink-Gewinnung für die Energiespeicherung umzukehren. Sein Team arbeitet seit Längerem an der Frage, wie sich die Reversibilität von Zink-Metallelektroden durch Elektrolyt- und Grenzflächen-Engineering verbessern lässt.

Stabile Kapazität über Tausende Zyklen

Über die reine Laufzeit hinaus zeigen die Testdaten, wie belastbar das System unter realen Zyklenbedingungen bleibt. Zink-Mangandioxid-Vollzellen, die auf derselben Architektur basieren, behielten nach 5.500 vollständigen Lade- und Entladezyklen noch 81,1 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Zink-Sauerstoff-Zellen lieferten über 100 Stunden hinweg 1,65 Amperestunden. Für Betreiber:innen von Speichersystemen zählt neben der reinen Energiedichte vor allem diese langfristige Stabilität, denn sie bestimmt, wie oft eine Anlage nachgerüstet oder ausgetauscht werden muss.

Skalierung ohne neue Zelltechnik

Der entscheidende Vorteil der Architektur liegt laut den Forscher:innen in der Entkopplung von Speicherkapazität und Leistungsabgabe. Wer mehr Energie speichern möchte, muss lediglich das Volumen der externen Tanks vergrößern, ohne die elektrochemische Zelle selbst neu zu konstruieren. Genau diese Eigenschaft macht Flussbatterien grundsätzlich attraktiv für Langzeitspeicher, an denen es im Zusammenspiel mit Solar- und Windkraft bislang mangelt: Sie können überschüssigen Strom an sonnigen oder windreichen Tagen aufnehmen und ihn Stunden oder Tage später wieder abgeben, wenn die Erzeugung einbricht. Die Forscher:innen betonen zudem, dass sich die drei zentralen Probleme bisheriger Zink-Slurry-Systeme, verklumpende Partikel, instabile Reaktionen und degradierende Grenzflächen, mit der Kombination aus Fließarchitektur und ligandengesteuerter Grenzflächenchemie gemeinsam adressieren lassen, statt jedes einzeln lösen zu müssen.

Auf dem Weg zu praxistauglichen Langzeitspeichern

Wang und sein Team wollen die Slurry-Chemie weiter optimieren und die Systemintegration vorantreiben, um vom Labormaßstab zu praxistauglichen Langzeitspeichern zu gelangen. Parallel prüfen die Forscher:innen, ob sich das Konzept einer fließfähigen Metall-Suspension auch auf andere Metalle jenseits von Zink übertragen lässt. Gelingt der Sprung in den industriellen Maßstab, könnte die Technologie Netzbetreibern eine kostengünstige Alternative zu bestehenden Langzeitspeichern liefern.

via TechXPlore

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