Eine neue wiederaufladbare Zinkbatterie behält ihre Leistung über viele Zyklen hinweg bei – dank eines Gels, das die Reaktionen verhindert, die diesen Zelltyp normalerweise schädigen.
Zink zieht die Aufmerksamkeit der Forschung für die Speicherung von Elektrizität auf sich. Es ist reichlich vorhanden, relativ kostengünstig und kann mit wasserhaltigen Elektrolyten betrieben werden. Diese Eigenschaften machen es zu einem interessanten Kandidaten für stationäre Batterien, bei denen das Gewicht eine geringere Rolle spielt als in einem Auto oder einem Smartphone.
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Ein Hindernis bleibt jedoch bestehen. Während des Ladens und Entladens kann metallisches Zink mit Wasser reagieren und unerwünschte Produkte bilden. Außerdem kann sich das Zink ungleichmäßig ablagern. Diese Vorgänge verbrauchen nach und nach die aktiven Materialien und verkürzen die Lebensdauer der Batterie.
Die Forschenden haben einen Elektrolyten in Form eines Hydrogels entwickelt, um diese Umgebung besser zu kontrollieren. Ein Hydrogel ist ein Netzwerk aus festen Molekülen, das große Mengen Wasser zurückhalten kann. Hier wurde seine chemische Zusammensetzung angepasst, um die Wechselwirkungen zwischen Wasser, Zink-Ionen und der Elektrodenoberfläche zu verändern.
Das Material kombiniert unter anderem Gruppen mit positiven und negativen Ladungen mit fluorierten Bereichen. Diese Struktur ordnet die Moleküle rund um die Zink-Ionen neu an und begrenzt die Wassermenge, die an unerwünschten Reaktionen teilnehmen kann. Auch die Zinkablagerung wird im Laufe der Zyklen gleichmäßiger.
Die Leistungsfähigkeit wurde zunächst an verschiedenen Laboraufbauten untersucht. Anschließend stellte das Team Zellen mit einer Kapazität von etwa einer Amperestunde her. Diese Maßstabsvergrößerung ist wichtig, da viele vielversprechende Materialien in sehr kleinen Zellen funktionieren, ihre Vorteile jedoch verlieren, wenn die Materialmenge zunimmt.
Die Tests zeigen, dass diese Zellen nach zahlreichen Zyklen einen großen Teil ihrer Kapazität behalten können. Die Forschenden berichten außerdem von einem guten Lade- und Entladewirkungsgrad. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Elektrolyt die unerwünschten Reaktionen auch in einem Format begrenzt, das einer nutzbaren Batterie näherkommt.
Diese Technologie ersetzt Lithium-Ionen-Batterien nicht unmittelbar. Energiedichte, Herstellungskosten, Lebensdauer unter realen Bedingungen und die Produktion im großen Maßstab müssen noch verglichen werden. Für die Speicherung im Stromnetz kann ein schwereres System jedoch interessant bleiben, wenn es langlebig, sicher und wirtschaftlich ist.
Als Nächstes sollen Zellen mit noch größerer Kapazität hergestellt und unter verschiedenen Temperatur- und Leistungsbedingungen getestet werden. Diese Versuche werden zeigen, ob das Hydrogel seine Eigenschaften über mehrere Jahre hinweg behält – ein entscheidendes Kriterium für die tägliche Speicherung erneuerbarer Elektrizität.