Entdeckung führt zu neuem Akku

19. April 2016, 14:14 Uhr
Preiswerte ZnMnO2-Akkus mit hoher Lebensdauer. Bild: PNNL
Preiswerte ZnMnO2-Akkus mit hoher Lebensdauer. Bild: PNNL
Eine unerwartete Entdeckung führte zu einem neuen Akku-Typ, der so preiswert ist wie konventionelle Auto-Batterien – bei deutlich höherer Energiedichte. Der neue Akku hat das Potential zu einem preiswerten und dennoch umweltfreundlichen Energiespeicher, der sich auch für den Einsatz als Speicher für das Stromnetz eignet.

Eine Forschergruppe des Pacific Northwest National Laboratory musste konstatieren, dass sich diese neue Art des Energiespeicherns nicht so verhält, wie sie angenommen hatten. Die Fachzeitschrift Nature Energy hat ganz aktuell einen Artikel mit der Beschreibung dieses Akku-Typs veröffentlicht. Schon seit den 1990er Jahren wird an Zink-Mangan-Akkus als sichere Alternative zu Lithium-Akkus geforscht, doch bislang hielten diese Konstruktionen nur wenige Ladezyklen durch.

Lithium-Akkus speichern Energie durch Interkalation, der Einlagerung von Lithium in mikroskopische Zwischenräume in Elektroden. Bislang wurde angenommen, dass dies auch mit Zink bei ZnMnO2-Akkus der Fall sei. Die Forscher fanden nun aber heraus, dass hier das Zink nicht nur herumwandert und ein- oder ausgelagert wird, sondern dass das Zink eine reversible chemische Reaktion eingeht. Das aktive Material verwandelt sich also chemisch.
Auf der Basis ihrer Untersuchungen wurde nun Akkus gebaut, die aus einer Zink-Kathode, einer Mangandioxid-Anode und einem wasserhaltigen Elektrolyten bestehen. Und auch diese verloren nach wenigen Ladezyklen ihre Kapazität. Die Frage war: Warum?

Mit großen Forschungsgeschützen wie Elektronenmikroskopie, NMR und Röntgenstrahlen zeigte sich, dass das MnO2 teilweise in Lösung geht, womit weniger aktives Material zur Verfügung steht. Ab einer bestimmten Konzentration stabilisiert sich die Kapazität auf einem niedrigen Niveau. Mit diesem Wissen war die Lösung einfach: Es wurde dem Elektrolyten einfach Mangan zugegeben. Eine neue Version des Akkus zeigt dann eine beeindruckende Restkapazität von 92% nach 5.000 Zyklen und ein spezifisches Energiegewicht von 285 mAh/g des Materials MnO2. Aufgrund der preiswerten Materialien hat dieses Konzept daher enormes Potential.
 
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