Eine Batterie mit Wasser und Zink klingt einfach. Doch gerade dort, wo das Metall auf die Flüssigkeit trifft, entscheidet sich, wie lange eine wiederaufladbare Zelle durchhält. Beim Laden kann sich Zink ungleichmäßig ablagern; daneben laufen Reaktionen ab, die Wasserstoff erzeugen und das Metall angreifen. Diese Vorgänge können sich gegenseitig verstärken.
Das deutsche Forschungsprojekt ZACK am Fraunhofer ISE untersucht deshalb die Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt. Die Idee: Nicht allein die Wahl des Rohstoffs entscheidet über eine brauchbare Batterie, sondern auch darüber, was bei jedem Ladezyklus an seiner Oberfläche passiert.
Was Wasser in der Zelle leistet
Eine Batterie besitzt zwei Elektroden und einen Elektrolyten. Dieser ermöglicht den Transport geladener Teilchen innerhalb der Zelle. Die Elektronen nehmen dagegen den äußeren Weg durch den angeschlossenen Stromkreis. So kann beim Entladen elektrische Energie genutzt werden.
Bei einer milden wässrigen Zink-Ionen-Zelle ist Wasser Teil des Elektrolyten. An der Zinkelektrode geht beim Entladen Zink in Form geladener Teilchen, der Zinkionen, in Lösung. Beim Laden läuft der Vorgang in die andere Richtung: Die Ionen nehmen Elektronen auf und werden wieder zu metallischem Zink. Eine wissenschaftliche Übersicht von 2022 beschreibt diesen Kreislauf und seine Schwierigkeiten.
Wasser ist als Bestandteil des Elektrolyten attraktiv, weil solche Systeme anders als Zellen mit brennbaren organischen Elektrolyten aufgebaut werden können. Es ist aber zugleich ein Reaktionspartner. An der Zinkoberfläche finden deshalb neben dem gewünschten Auf- und Abbau des Metalls weitere Vorgänge statt.
Wenn Zink ungleichmäßig zurückkehrt
Im Idealfall lagert sich das Metall beim Laden gleichmäßig ab. Tatsächlich ist die Oberfläche nie vollkommen eben. An manchen Stellen entstehen bevorzugt neue Metallkeime; Vorsprünge können weiter wachsen. Solche Strukturen werden oft Dendriten genannt, auch wenn ihre genaue Form vom System abhängt.
Das hat zwei Folgen. Lockere Teile können den elektrischen Kontakt zur Elektrode verlieren. Dieses „tote“ Zink steht dann für den gewünschten Kreislauf nicht mehr zur Verfügung. Außerdem können große Auswüchse den Separator erreichen. Die poröse Trennschicht hält die Elektroden auseinander und lässt zugleich Ionen passieren. Wird sie durchstoßen, kann ein Kurzschluss entstehen. Die Übersicht beschreibt beide Möglichkeiten; sie treten nicht zwangsläufig bei jeder Zelle auf.
Blasen und Korrosion verändern die Oberfläche
Eine zweite unerwünschte Reaktion erzeugt Wasserstoff. Sie verbraucht Ladung, die dann nicht für die gewünschte Speicherung zur Verfügung steht. Gasblasen an der Oberfläche können außerdem beeinflussen, wo sich Zink beim nächsten Laden abscheidet.
Hinzu kommt Korrosion: Zink reagiert mit seiner Umgebung, ohne dass dieser Materialumsatz vollständig dem beabsichtigten Laden und Entladen dient. Dabei können sich Reaktionsprodukte auf der Oberfläche bilden. Sie verändern den Weg, den Ionen zur Elektrode nehmen, und können den elektrischen Betrieb erschweren.
Entscheidend ist das Zusammenspiel. Eine weitere Fachübersicht beschreibt, wie eine raue oder poröse Oberfläche mehr Kontakt zur Flüssigkeit bietet und Nebenreaktionen begünstigen kann. Umgekehrt können Blasen und Reaktionsprodukte eine gleichmäßige Abscheidung erschweren. Aus kleinen Veränderungen kann so über viele Ladezyklen ein größeres Problem werden.
Die Grenzfläche gezielt gestalten
Forschende setzen an mehreren Stellen an. Eine dünne Schutzschicht auf dem Zink kann den Kontakt zur Flüssigkeit verändern und den Weg der Ionen beeinflussen. Auch Zusammensetzung und Eigenschaften des Elektrolyten oder der Aufbau des Separators lassen sich untersuchen. Ziel ist jeweils, die gewünschte Bewegung der Ionen zu ermöglichen und störende Reaktionen zu verringern.
Das klingt einfacher, als es ist. Eine Schicht muss die Oberfläche schützen und gleichzeitig den Transport ermöglichen. Eine Änderung, die unter einer bestimmten Laborbedingung hilft, muss auch mit den übrigen Zellbestandteilen und bei längerem Betrieb zusammenpassen. Deshalb lässt sich die Eignung eines Ansatzes nicht allein aus einer einzelnen Materialeigenschaft ableiten.
Das Projekt ZACK nimmt solche Grenzflächen in den Blick. Laut Fraunhofer läuft es von Juli 2026 bis Juni 2029. Die genannten Zielwerte für einen Prototypen beschreiben das Vorhaben, keine bereits erreichten Ergebnisse. Ob und wie gut die untersuchten Lösungen in einer vollständigen Zelle funktionieren, müssen die Projektarbeiten erst zeigen.
Die Frage nach einer langlebigen Zinkbatterie führt damit zu einer sehr kleinen Stelle: der Kontaktfläche zwischen Metall und Flüssigkeit. Wer sie stabilisiert, muss mehrere miteinander verbundene Vorgänge gleichzeitig beherrschen. Erst dann lässt sich beurteilen, welchen praktischen Nutzen der jeweilige Zellaufbau über viele Ladezyklen bietet.
Quellen
- Fraunhofer ISE: Forschungsprojekt ZACK
- Zinc Anode for Mild Aqueous Zinc-Ion Batteries: Challenges, Strategies, and Perspectives, 2022
- Issues and solutions toward zinc anode in aqueous zinc-ion batteries, 2020
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