Eine neue Technologie des Instituts für Materialwissenschaften in Barcelona verringert Energieverluste und steigert die Leistung von Zink-Luft-Batterien. Der Fund eröffnet neue Wege für verschiedene Speichertechnologien.
In Spanien haben Forschende am Institut für Materialwissenschaften in Barcelona (ICMAB-CSIC) eine neue Architektur für Zink-Luft-Batterien entwickelt. Mit ihr lässt sich die Leistung um bis zu 80 Prozent steigern, ohne die grundlegende Chemie zu verändern. Das System integriert leitfähige Elemente im Inneren der Batterie. Sie wirken als drahtlose bipolare Elektroden, erleichtern den Ladungstransport und senken den inneren Widerstand.
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Der Durchbruch eröffnet neue Wege für effizientere Batterien mit höherer Leistungsfähigkeit. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Energy Storage Materials“ erschienen. Sie entstand in Zusammenarbeit mit dem katalanischen Institut für Nanowissenschaft und Nanotechnologie (ICN2) sowie der Nationalen Universität La Plata in Argentinien.
Nach Angaben der Forschenden stellen diese Arbeit und frühere Studien der Gruppe das konventionelle Batteriedesign infrage. Sie schlagen vor, Energiespeichersysteme grundsätzlich neu zu denken.
Designprinzip stellt Regeln infrage
Batterien erzeugen Strom, weil zwischen den Materialien ihrer zwei Elektroden ein Energieunterschied besteht. Die Ladungen wandern von einer Elektrode zur anderen durch den Elektrolyten, ein Material, das die Bewegung von Ionen ermöglicht. Bisher galt als Grundsatz, dass dieser Bestandteil den Durchgang von Elektronen blockieren muss, um jedes Risiko eines Kurzschlusses zu vermeiden. Die neue Studie stellt diesen Ansatz infrage.
Das Team unter der Leitung von Nieves Casañ-Pastor, Forscherin am ICMAB-CSIC, hat gezeigt, dass sich unter bestimmten Bedingungen kleine leitfähige Metallstücke in das Innere der Batterie einbringen lassen. Sie sind weder mit den Elektroden noch mit dem äußeren Stromkreis verbunden und können die Leistung der Batterie trotzdem sogar verbessern.
Entscheidend ist das elektrische Feld, das sich zwischen den zwei Elektroden bildet, sobald die Batterie arbeitet. Die Forschenden haben nachgewiesen, dass das Einsetzen eines oder mehrerer isolierter leitfähiger Elemente zwischen ihnen keinen Kurzschluss verursacht und den Ladungstransport sogar verbessern kann.
Das elektrische Feld polarisiert die leitenden Stücke. An ihren Enden sammeln sich entgegengesetzte Ladungen, es entstehen zusätzliche Wege für den Transport der Ladung. Dadurch sinkt der innere Widerstand, und die Batterie kann Energie schneller liefern. „Das Erstaunliche ist, dass diese Leiter mit keinem Kabel an irgendetwas angeschlossen sind: Man steckt sie einfach in das System und sie erzeugen positive Effekte“, erklärt Casañ-Pastor.
Sauerstoff als Herausforderung: Schlüssel für neues Design
Die Untersuchung, Teil der Doktorarbeit von Marc Mosqueda, zeigt das Potenzial von Zink-Luft-Batterien. Sie bestehen aus reichlich verfügbaren, kostengünstigen und sicheren Materialien, deren Leistung aber durch die langsamen Sauerstoffreaktionen begrenzt wird.
Das neue Design setzt drahtlose bipolare Elektroden ein. Sie senken den inneren Widerstand und beschleunigen die Energiebereitstellung, sodass die Leistung um bis zu 80 Prozent steigen kann.
Für Casañ-Pastor eröffnet der Befund einen Weg, der sich auf verschiedene Speichertechnologien anwenden ließe. Das Team hat ähnliche Effekte bereits in anderen Systemen beobachtet und will die Möglichkeiten drahtloser bipolarer Elektroden weiter ausloten.