Leicht und leistungsfähig Nickel-Zink-Akku soll Standardmodelle ersetzen

Nickel-Zink-Akkus sind leichter als Lithium-Ionen-Akkus, gehen aber schneller kaputt - bisher. Jetzt haben Forscher ein Modell entwickelt, das sie sich auch als Ersatz für Bleiakkus in Autos vorstellen können.

Lithium-Ionen-Akku aus einem Handy
DPA

Lithium-Ionen-Akku aus einem Handy


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 in Washington, D.C. 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. Ein alternatives Batteriesystem müsste diese Merkmale auch mitbringen, wenn es größere Marktanteile erringen solle.

Weltweit existieren zahlreiche Ansätze für neue Batterie- und Akkutechnologien, einer 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. Wenn sie die andere Elektrode erreichen, entsteht ein Kurzschluss.

50.000 mal auf- und entladen ohne Kristallisierung

Rolison und Kollegen gestalteten die Zink-Anode als hochporösen Monolithen, also eine Art Metallschaum, durchdrungen von Kalziumhydroxid. Eine wässrige Lösung mit Elektrolyten trennt sie von der Kathode aus Nickel(III)-oxidhydroxid.

Dieser Aufbau hilft offenbar gegen Kristallisierungen: Selbst nach mehr als 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.

Zweifel an breiter Anwendung von Nickel-Zink-Akkus

Andere Experten sind jedoch nicht so optimistisch, wenn es um schnelle, größere Änderungen bei der Batterietechnologie geht. 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, erklärte Ralf Diekmann, Sprecher für Produktsicherheit beim TÜV Rheinland. Akkus würden nun mal Feuchtigkeit, Überlastung und extreme Temperaturen nicht vertragen.

jme/dpa



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