Lebensdauer von Zink-Batterien drastisch verlängert

Forschende der TUM entwickeln neue chemische Methode für bessere Energiespeicherung.

• Verbesserung auf mehrere 100.000 Ladungen
• Schutzschicht für die Zink-Anode
• Wichtiges Ergebnis der Grundlagenforschung
• Großskalige ingenieurtechnische Umsetzung steht noch aus

Der Umstieg auf erneuerbare Energien erfordert effiziente Methoden zur Speicherung großer Mengen Strom. Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, die die Lebensdauer von wässrigen Zink-Ionen-Batterien um mehrere Größenordnungen verlängern könnte. Statt ein paar Tausend sollen sie künftig mehrere 100.000 Lade- und Entladezyklen überstehen.

Der Schlüssel zu dieser Innovation ist eine spezielle Schutzschicht für die Zink-Anoden der Batterien. Diese Schicht behebt bisherige Probleme, wie das Wachstum von nadelförmigen Zinkstrukturen – den sogenannten Zink-Dendriten – sowie unerwünschte chemische Nebenreaktionen, die Wasserstoffbildung und Korrosion auslösen.

Die Forschenden um Prof. Roland A. Fischer, Inhaber des Lehrstuhls für Anorganische und Metallorganische Chemie an der TUM School of Natural Sciences, verwenden hierfür ein besonderes Material: ein poröses organisches Polymer namens TpBD-2F. Dieses Material bildet einen stabilen, hauchdünnen und hochgeordneten Film auf der Zink-Anode, der die Zink-Ionen durch Nano-Kanäle sehr effizient fließen lässt und gleichzeitig Wasser von der Anode fernhält.

Zink-Batterien als kostengünstiger Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien

Da Lei, Doktorand und Erstautor der im Journal „Advanced Energy Materials“ publizierten Forschungsarbeit, erklärt: „Zink-Ionen-Batterien mit dieser neuen Schutzschicht könnten Lithium-Ionen-Batterien bei der Speicherung von Energie in großem Maßstab ersetzen – etwa in Kombination mit Solar- oder Windkraftanlagen. Sie halten länger, sind sicherer und Zink ist zudem günstiger und einfacher verfügbar als Lithium.“ Lithium bleibt zwar eine erste Wahl für mobile Anwendungen wie Elektroautos oder tragbare Geräte, doch die höheren Kosten und Umweltbelastungen machen es für den großflächigen Einsatz zur Energiespeicherung weniger attraktiv.

Prof. Roland A. Fischer ergänzt: „Das ist ein wirklich spektakuläres Forschungsergebnis. Wir konnten zeigen, dass der von Da Lei erdachte chemische Ansatz nicht nur funktioniert, sondern auch kontrollierbar ist. Als Grundlagenforscher sind wir vor allem an neuen wissenschaftlichen Prinzipien interessiert – und hier haben wir ein solches entdeckt. Wir haben schon einen ersten Prototyp im Format einer Knopfzelle entwickelt. Ich sehe keinen Grund, warum sich unsere Erkenntnisse nicht auch auf größere Anwendungen übertragen ließen. Jetzt sind Ingenieurinnen und Ingenieure gefragt, um die Idee aufzugreifen und passende Produktionsverfahren zu entwickeln.“

Weitere Informationen:

In das Forschungsprojekt und das internationale Team haben sich zahlreiche Einheiten der TUM interdisziplinär eingebracht – von der Chemie über die Physik und die Informatik bis hin zu Nanotechnologie und Datenwissenschaften. Die beteiligten Forschenden der TUM arbeiten zum Großteil auch im vom Bund und den Ländern im Rahmen der Exzellenzinitiative geförderten Exzellenzcluster e-conversion (https://www.e-conversion.de/de/) zusammen.

Zusatzinformationen für Redaktionen:
Grafik zum Download: https://go.tum.de/741175

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Roland A. Fischer
Technische Universität München
Lehrstuhl für Anorganische und Metallorganische Chemie
Tel. +49 89 289 – 13080
roland.fischer@tum.de
https://www.ch.nat.tum.de/amc

Originalpublikation:

Da Lei, Roland A. Fischer et al: Ion-Transport Kinetics and Interface Stability Augmentation of Zinc Anodes Based on Fluorinated Covalent Organic Framework Thin Films, erschienen in: Advanced Energy Materials 13.10.2024, https://doi.org/10.1002/aenm.202403030

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