Forschende der Universität Bremen arbeiten derzeit an der nächsten Generation von Energiespeichern. Ihr Ziel sind dabei wässrige Zink-Ionen-Batterien, bei denen jegliche Explosions- oder Brandgefahr ausgeschlossen ist. In der renommierten Wissenschaftspublikation «Nature Communications» haben Fabio La Mantia und sein Team die wichtigsten Herausforderungen beschrieben, die bei der Weiterentwicklung der neuartigen Batterietechnologie bewältigt werden müssen.
Die umweltschonende Energieversorgung der Zukunft ist eines der am meisten diskutierten Themen unserer Zeit. Unsere Gesellschaft muss und will unabhängig von fossilen Brennstoffen werden, um die CO2-Emissionen zu reduzieren und dem Klimawandel zu trotzen. «Grüne Energie» aus erneuerbaren Quellen wie Windparks und Solarpanelen hat einen beispiellosen Schub erhalten. Aber genauso wichtig wie das «Ernten» des Stroms ist auch, immer günstigere und umweltfreundlichere Energiespeicher zu entwickeln. Nur damit lässt sich das Stromnetz künftig stabilisieren, weil es vor Stromspitzen oder Stromausfällen geschützt werden muss.
«Leider sind die bereits etablierten Energiespeichertechnologien – wie die weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien – aufgrund der sehr strengen Vorgaben des stationären Energiespeichermarktes in Bezug auf Umweltfreundlichkeit, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit suboptimal», sagt Professor Fabio La Mantia, Leiter des Fachgebiets Energiespeicher- und Energiewandlersysteme der Universität Bremen. Er forscht mit seinem Team deshalb in eine andere Richtung: «Es gibt eine aufstrebende grüne Energiespeicherungstechnologie, die auf reichlich vorhandenem und günstigem metallischem Zink basiert. Wässrige Zink-Ionen-Batterien könnten die aktuellen Probleme lösen», hofft La Mantia.
Wasserbasierte Technologie eliminiert Gefahren
Weil diese Technologie auf Wasser basiert, wird jegliche Explosions- oder Brandgefahr eliminiert. Darüber hinaus – das lässt schon der Name vermuten – bestehen Zink-Ionen-Batterien hauptsächlich aus metallischem Zink und anderen meist günstigen und ungiftigen Materialien. Dadurch wird nicht nur der finale Preis von grüner Energie reduziert, sondern zugleich auch das Risiko von Umweltverschmutzung vermindert.
Trotz der guten Voraussetzungen ist die wässrige Zink-Ionen-Batterietechnologie aber momentan noch weit entfernt von gross angelegter Kommerzialisierung. Die Forschenden an der Universität Bremen fokussieren sich darauf, die Herausforderungen zu überwinden, um wässrige Zink-Ionen-Batterien marktreif zu machen. Die Forschungsgruppe von Fabio La Mantia konzentriert sich dabei auf die Entwicklung von neuartigen zinkbasierten Anoden. Sie sollen die Stabilität und Lebensdauer von Zink-Ionen-Batterien verbessern. Zudem arbeitet die Gruppe an der Entwicklung von günstigen umweltfreundlichen Kathodenmaterialien sowie der Optimierung von wasserbasierten Elektrolyten.
Die Herausforderungen
Im renommierten Wissenschaftsmagazin «Nature Communications» haben La Mantia und sein Team die wichtigen Herausforderungen beschrieben, mit denen die Wissenschaftsgemeinschaft bald konfrontiert sein wird, um diese neuartige Batterietechnologie voranzubringen.
So gibt es laut den Forschenden im wesentlichen zwei technische Probleme zu bewältigen: Einerseits ist die spezifische Energie der Zink-Ionen-Zelle noch zu gering und andererseits führen parasitäre Reaktionen in der Zink-Ionen-Zelle zu einer ungewollten Wasserstoffentwicklung an der Zink-Anode. Durch diese Reaktion steigt der pH-Wert lokal an. Dies führt zu «inhomogenen lamellaren Ablagerungen» und zu einer Effizienzverminderung der Zink-Ionen-Zelle.
Die Autoren betonen in ihrer Publikation: «Nur wenn die Forschenden sich auf die wesentlichen Probleme konzentrieren, die derzeit die praktische Anwendung von wässrigen Zink-Ionen-Batterien einschränken und wenn sie in der akademischen Forschung eine gute experimentelle Praxis anwenden, die die realen Arbeitsbedingungen widerspiegeln werden, die für stationäre Stromnetzanwendungen vorgesehen sind, werden sie in der Lage sein, die Entwicklung der wässrigen Zn-Ionen-Technologie voranzutreiben.»
Deshalb haben die Bremer zusätzlich Richtlinien für eine gute experimentelle Praxis entwickelt, damit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt ihre Forschungsbemühungen an die industriellen Standards und Bedürfnisse anpassen können. Fabio La Mantia: «Ziel ist es, die Vermarktung dieser vielversprechenden umweltfreundlichen Batterietechnologie zu beschleunigen.»
