Nickel-Zink-Akkus haben im Vergleich zu klassischen Lithium-Ionen-Akkus einen entscheidenden Vorteil: Sie sind wesentlich leichter. Allerdings gingen sie in der Vergangenheit auch einfacher kaputt. Das wollen Forscher jetzt mit einem neu entwickelten Modell geändert haben. Im Labor sei der neue Nickel-Zink-Akku genauso leistungsstark wie der Lithium-Ionen-Akku, allerdings mit einem deutlich geringeren Eigengewicht versehen. Zudem ist das neue Modell laut Forschern weniger feuer- und explosionsgefährlich, wie die Forscher im Fachblatt „Science“ berichten.
Was bringen die neuen Nickel-Zink-Akkus?
Die Forscher haben für die Neuentwicklung die Zink-Elektrode in einer schwammartigen Struktur ausgebildet. Die wachsenden Kristallisierungen der Vorgängervarianten, die zu einem Kurzschluss führen können, sind somit ausgemerzt worden.
Geforscht haben an dem aktuellen Projekt mehrere Forscher des U.S. Naval Research Laboratory in Washington, D.C. unter Leitung von Debra Rolison. Sie bestätigen zudem, dass Lithium-Ionen-Akkus zahlreiche weitere Nachteile neben dem hohen Gewicht mit sich bringen. So werden die beiden hauptsächlich dafür verwendeten Rohstoffe Kobalt und Lithium immer knapper und damit teurer. Die Kosten für klassische Lithium-Ionen-Akkus steigen damit. Die Wiederverwertung gebrauchter Akkus ist zwar grundsätzlich möglich, allerdings gibt es dafür bisher nur eine sehr begrenzte Infrastruktur.
Trotzdem gehören die Lithium-Ionen-Akkus derzeit zu den am weitesten verbreiteten Akkus. Dies führen die Forscher unter anderem auf deren hohe Energiedichte und spezifische Leistung sowie die lange Lebensdauer zurück. Damit Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku am Markt überhaupt Erfolg haben könnten, müssen sie diese Vorteile ebenfalls mitbringen.
Mittlerweile gibt es weltweit schon zahlreiche Ansätze für neue Akku- und Batterietechnologien, wie eben den Ansatz des Nickel-Zink-Akkus. Bisher jedoch war das größte Problem bei all diesen Ansätzen, dass die Lebensdauer nicht ausreichte. Je häufiger die Akkus ge- und entladen wurden, desto länger wuchsen die Dendriten-Kristallisierungen. Diese entstehen auf elektrochemische Weise bei den Ladevorgängen und können die Leistung der Akkus massiv einschränken. Erreichen sie die andere Elektrode, kommt es zudem zu einem Kurzschluss.
Wie Nickel-Zink-Akkus mit längerer Lebensdauer versehen wurden
Rolison und ihr Team haben das Problem in Angriff genommen und die Zink-Anode als hochporösen Monolithen gestaltet. Damit handelt es sich um eine Art Metallschaum, der von Kalziumhydroxid durchdrungen wird. Außerdem ist eine wässrige Lösung vorhanden, die mit Elektrolyten durchsetzt ist. Sie soll die Zink-Anode von der Kathode aus Nickel(III)-oxidhydroxid trennen.
Durch diesen Aufbau der neuen Nickel-Zink-Akkus entstehen offenbar keine Kristallisierungen mehr. Wie die Forscher berichteten, konnten sie auch nach 50.000 Ladezyklen keine Dendriten an der Zink-Elektrode sehen – und das unter dem Elektronenmikroskop.
In weiteren Tests haben die Forscher den Ladungsspeicher als Einmal-Batterie genutzt. Damit gelang ihnen eine Entladung von über 90 Prozent der theoretisch möglichen Entladung. Bei klassischen Akkus liegt der Entladungsgrad sehr viel geringer. Die Forscher entluden die Akkus um 40 Prozent und setzten sie 100 Schnellladezyklen aus. Nach eigenen Angaben konnten sie dabei eine spezifische Leistung feststellen, die vergleichbar mit der von Lithium-Ionen-Akkus ist. Daher, so die Forscher weiter, könnten die neuen Nickel-Zink-Akkus langfristig sogar Bleiakkus in Fahrzeugen ersetzen. In diesem Zusammenhang errechneten die Forscher, wie viel Gewicht mit einem Nickel-Zink-Akku eingespart werden könnte, würde er die spezifische Kapazität des Elektroautos Nissan Leaf, die bei 24 Kilowattstunden liegt, mitbringen. Die Gewichtseinsparung beträgt in diesem Fall 100 Kilogramm.
Kritiker an Nickel-Zink-Akkus stehen schon auf dem Plan
Werden derartig herausragende Entdeckungen gemacht, sind natürlich die Kritiker nicht weit. Dominic Bresser vom Helmholtz-Institut in Ulm erklärte im März, dass Lithium-Ionen-Akkus auch in den kommenden zehn Jahren die einzigen Akkus sein werden, die Smartphone, E-Bikes oder Autos antreiben können. Zudem geht Bresser davon aus, dass man die Akkus in den kommenden Jahren auch noch hitzebeständiger machen könne.
Andere Experten sehen überhaupt keine grundlegenden Probleme bei den Lithium-Ionen-Akkus. Dass es in letzter Zeit zu deutlich höheren Unfallzahlen kam, führen die Experten nicht auf Probleme mit der Technologie zurück, sondern darauf, dass immer mehr Akkus in Elektrogeräten eingebaut werden. Zudem seien Anwendungsfehler und eine falsche Behandlung der Akkus einer der Hauptgründe für die Unfallzahlen, so Ralf Diekmann, der als Sprecher für Produktsicherheit beim TÜV Rheinland agiert. Feuchtigkeit, extreme Temperaturen und dauernde Überlastung würden die Akkus generell nicht vertragen.
Quelle: dpa
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