Zink Luft Batterie

Da Hörgeräte relativ klein sind, werden dort sogenannte Knopfzellen, als Energiequelle, eingesetzt. Knopfzellen sind kleine, flache und zylinderförmige elektrochemische Zellen. Anders als die meisten Batterien bestehen Knopfzellen nur aus einer elektrochemischen Zelle. Das Volumen dieser Knopfzellen ist im Vergleich zu anderen Batterien gering. Dadurch müssen sie eine hohe Energiedichte besitzen, um überhaupt als Energiequelle für Hörgeräte oder ähnliches eingesetzt werden zu können.

Zink-Luft-Batterien haben den Vorteil, dass sie neben der hohen Energiedichte, auch eine äußerst waagerechte Entladungskurve besitzen. Das heißt, die Batterie entlädt sich mit einer gleichbleibenden Spannung, während andere Knopfzellen, oder Batterien die höchste Spannung vorwiegend direkt nach dem Einsetzen haben. Nach und nach nimmt die Spannung immer weiter ab. Komplizierte elektronische Schaltungen kommen mit der konstant abnehmenden Spannung nicht klar und sollten deshalb beispielsweise mit Zink-Luft-Batterien betrieben werden.

Allgemeines über Zink-Luft-Batterien

Die Zink-Luft-Batterie gehört zu den Primärzellen und kann chemische Energie speichern und in elektrische umwandeln. Wie schon erwähnt besitzt sie eine fast waagerechte Entladungskurve, die nur gegen Ende steil abfällt. Außerdem besitzt die Zink-Luft-Batterie eine hohe Energiedichte.

Zink

Zink ist ein relativ häufig vorkommendes, unedles Metall, das größtenteils gebunden in Erzen zu finden ist. Zink ist ein günstiger und umweltverträglicher Rohstoff. Zudem kann man Zink fast ohne Materialverlust recyceln. Zink ist ein gutes Reduktionsmittel, wodurch es oft als Elektrodenmaterial in Batterien verwendet wird. So ist Zink, neben Zink-Luft-Batterien, auch in Alkali-Mangan-Batterien, Zink-Kohle-Batterien, Silberoxid-Zink-Batterien und früher auch in Quecksilberoxid-Zink-Batterien zu finden. Außerdem besitzt Zink eine gute elektrische Leitfähigkeit.

Zink-Luft-Batterie Aufbau

Oft bestehen Batterien aus einer oder mehreren galvanischen Zellen. Galvanische Zellen sind Systeme, bei denen chemische Energie spontan in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Umwandlung geschieht dabei durch eine Redoxreaktion. Bei dieser Redoxreaktion wird elektrische Energie frei.

Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode und der Kathode. Obendrein wird ein sogenannter Elektrolyt eingesetzt, der eine leitfähige und ionenleitende Flüssigkeit darstellt. Wie schon erwähnt läuft innerhalb einer galvanischen Zelle eine Redoxreaktion statt. Eine Redoxreaktion besteht aus der Oxidation und der Reduktion, die parallel zueinander ablaufen. Diese Teilreaktionen sind in der galvanischen Zelle durch einen Separator räumlich voneinander getrennt.

Die Abbildung zeigt den Aufbau einer Zink-Luft-Batterie, die hier als Knopfzelle dargestellt wird.

Anode/Zinkelektrode

Die Anode der Zink-Luft-Batterie ist aus Zinkpulver oder einem Zinkschwamm aufgebaut. Dabei nimmt die Zinkelektrode den größten Teil des Volumens der Zink-Luft-Batterie ein. Sie ist leitend mit dem Gehäusedeckel verbunden. Durch das große Volumen der Zinkelektrode besitzt die Zink-Luft-Batterie eine hohe Energiedichte (= Energie pro Raumvolumen).

Kathode/Sauerstoffelektrode

Die Kathode der Zink-Luft-Batterie nimmt deutlich weniger Volumen ein, als es in anderen Batterien der Fall ist. Das liegt daran, dass Sauerstoff von außen in die Batterie diffundiert (= eindringt) und somit kein Platz innerhalb der Batterie verbraucht. Die Sauerstoffelektrode ist aus zwei Teilen aufgebaut. Die außen liegende hydrophobe (= wasserabstoßende) Gasdiffusionsschicht besteht aus einer Teflonfolie (= Polytetrafluorethylen) und lässt Luft-Sauerstoff in die Batterie diffundieren. Währenddessen beinhaltet die innen liegende Aktivschicht den Katalysator. Die beiden Schichten werden durch ein Stromableitgitter getrennt, das häufig aus Nickel besteht. Der eindringende Sauerstoff reagiert an der Oberfläche der Kathode.

Elektrolyt

Als Elektrolyt wird Kalilauge verwendet. Der Elektrolyt hat neben der Verhinderung der Austrocknung der Zelle auch die Aufgabe, die Ionenleitfähigkeit zu erhöhen. Dies ist unter anderem nötig, da während der Redoxreaktion Zinkoxid gebildet wird, welches eine schlechte Leitfähigkeit besitzt.

Katalysator

Ein Kohlenstoffgitter dient als Katalysator und beschleunigt die Reaktion. Alternativ kann auch Graphitpulver verwendet werden. Diese Kohlenstoffmaterialien werden eingesetzt, da sie in Kombination mit dem Teflon eine sehr große Oberfläche bilden, die für die Reaktion nötig ist.

Separator

Separatoren sind für Batterien unverzichtbar. Er trennt die Kathode räumlich von der Anode, muss jedoch für Ionen durchlässig sein. Außerdem vermeidet er Kurzschlüsse, durch die elektrische Isolation der Kathode von der Anode.

Zink-Luft-Batterie Funktionsweise

Entladung

Entlädt sich die Zink-Luft-Batterie, so wird Zink an der Anode (Zinkelektrode) zu Zinkat (Zn(OH)₄^2-) oxidiert, wobei vier Elektronen abgegeben werden.

$2\mathrm{Zn}+8{\mathrm{OH}}^{-}\to 2\hspace{0.17em}\mathrm{Zn}{{\left(\mathrm{OH}\right)}_4}^{2-}+4{\mathrm{e}}^{-}$

Durch den alkalischen Elektrolyten zerfällt das Zinkat zu Zinkoxid und Wasser.

$2\mathrm{Zn}{{\left(\mathrm{OH}\right)}_4}^{2-}\to 2\hspace{0.17em}\mathrm{ZnO}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+4{\mathrm{OH}}^{-}$

An der Kathode (Sauerstoffelektrode) findet die Reduktion statt. Dazu reagieren Sauerstoff (O₂) und Wasser (H₂O) mit Elektronen (e^-) zu Hydroxidionen (OH^-). Die Reduktion kann nur in Anwesenheit eines Katalysators stattfinden, da die Reaktion sehr träge abläuft.

${\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+4{\mathrm{e}}^{-}\to 4{\mathrm{OH}}^{-}$

Die Gesamtgleichung der Redoxreaktion sieht also folgendermaßen aus:

$2\mathrm{Zn}+{\mathrm{O}}_2\to 2\hspace{0.17em}\mathrm{ZnO}$

In der Tabelle siehst du die Reaktionsvorgänge der Zink-Luft-Batterie noch einmal übersichtlich dargestellt:

Durch die Redoxreaktion der Zink-Luft-Batterie entsteht eine elektrische Spannung von maximal 1,65 Volt. Die tatsächliche Spannung von Zink-Luft-Batterien liegt aber meist zwischen 1,35 bis 1,4 Volt. Der Grund dafür ist die beschränkte Luftzufuhr in der Zelle. Die Zink-Luft-Batterie ersetzt die nicht mehr verwendete Quecksilberoxid-Zink-Batterie, die ebenso genau eine Spannung von 1,35 Volt erzeugte.

Ladung

Zink-Luft-Batterie: Lagerung

Sobald Sauerstoff aus der Luft ins Innere der Zink-Luft-Batterie gelangt, wird Energie erzeugt und die Batterie beginnt sich zu entladen. Damit Luft nicht ungewollt in die Batterie gelangt, sind Zink-Luft-Batterien mit Plastikfolien luftdicht versiegelt. Im versiegelten Zustand liegt die Selbstentladung bei etwa 3 % pro Jahr. Eine Lagerung ist somit über Jahre hinweg möglich. Dabei sollte die Batterie nicht bei hoher Temperatur oder niedriger Luftfeuchtigkeit gelagert werden, da der Elektrolyt sonst schnell Wasser verliert. Dieses Wasser überschwemmt die Kathode, zerstört ihre Eigenschaften und reagiert mit dem Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus der Luft. Durch die Reaktion des Wassers mit Kohlenstoffdioxid entsteht Kohlensäure (H₂CO₃). Die Kohlensäure geht wiederum eine Neutralisationsreaktion mit der Kalilauge (= Elektrolyt) ein, wodurch die Hydroxidionen (OH^-) der Kalilauge (KOH) nicht mehr im Wasser vorliegen. Da genau diese Ionen die hohe Leitfähigkeit der Kalilauge ausmachen und auch deutlich leitfähiger als die entstehenden Carbonat-Ionen sind, leitet die Lösung nach der Reaktion mit den Carbonat-Ionen den elektrischen Strom deutlich schlechter.

$\mathrm{KOH}+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3\to {\mathrm{K}}_2{\mathrm{CO}}_3+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Zink-Luft-Batterie: Verwendung

Zink-Luft-Batterien findet man am häufigsten in Hörgeräten. Dort ersetzt sie die früher oft verwendete Quecksilberoxid-Zink-Batterie. Neben der kleinen Knopfzelle wird sie auch in größerer Form für Elektrozaungeräte und als Laternenbatterien eingesetzt.

Elektrofahrzeuge mit Zink-Luft-Batterien

1996 testete die Deutsche Post, wie gebrauchsfähig und wirtschaftlich Zink-Luft-Batterien in der Elektromobilität sind. Mehr als 60 Elektrofahrzeuge wurden mit Zink-Luft Batterien ausgestattet. Die Fahrzeuge hatten eine Reichweite von mehr als 300 Kilometern und eine Höchstgeschwindigkeit von 120 Kilometer pro Stunde. Die Deutsche Post sah in Alternativen der Zink-Luft-Batterie Nachteile wie:

• hohe Preise
• mangelnde Leistungsfähigkeit
• lange Ladezeiten
• potenzielle Gefahren bei Unfällen
• giftige Inhaltsstoffe.

Daher entschied sie sich dazu, die Zink-Luft-Batterie unter Alltagsbedingungen zwei Jahre lang zu testen. Doch wie du schon gelernt hast, kann man Zink-Luft-Batterien nicht einfach wieder aufladen. Die bei der Ladung entstehenden Dendriten können zu Kurzschlüssen führen. Deshalb tauschte man die verbrauchte Elektrode der Batterie, nachdem Gebrauch einfach aus und bereitete die ausgebaute Elektrode wieder auf. Dazu baute man eine Regenerationsanlage, in der man das Zinkoxid (ZnO) zu Zinkat umsetzte und das Zinkat dann mithilfe einer Elektrolyse zu Zink umwandelte. So konnte man die verbrauchten Elektroden, ohne Materialverluste, wieder recyceln (= wiederaufbereiten).

Energiedichte der Zink-Luft-Batterie im Vergleich mit anderen Batterien

Wie schon erwähnt hat die Zink-Luft-Batterie eine relativ hohe Energiedichte. Diese ist höher als bei vielen anderen Batterietypen. In der folgenden Tabelle ist die spezifische Energie einiger Batterietypen aufgelistet. Du kannst dabei erkennen, dass die Zink-Luft-Batterie sehr viel Energie pro Masse speichern kann (400 Milliwattstunden pro Gramm).

Die spezifische Energie der Zink-Luft-Batterie ist deutlich höher als die spezifische Energie anderer Batterien. Das heißt man benötigt deutlich weniger Material, um dieselbe Menge an Energie speichern zu können. Daher wird die Zink-Luft-Batterie auch oft in Hörgeräten eingesetzt. Dort muss eine Batterie klein sein, aber trotzdem möglichst viel Energie speichern können.

Zink-Luft-Batterie: Vorteile

Die Zink-Luft-Batterie bringt einige Vorteile mit, die andere Batterien oder Akkus nicht besitzen.

• Zink-Luft-Batterien …
  • … besitzen eine annähernd waagerechte Entladungskurve.
  • … besitzen eine besonders hohe Energiedichte.
  • … bestehen aus Zink, das relativ günstig und dessen Vorkommen hoch ist.
  • … sind lange lagerbar.
  • … sind umweltfreundlicher und sicherer.

Zink-Luft-Batterie: Nachteile

Trotzdem birgt sie einige Nachteile, wodurch die Zink-Luft-Batterie nur in wenigen Gebieten eingesetzt werden kann.

• Zink-Luft-Batterien …
  • … bilden beim Wiederaufladen Dendriten aus, die zu Kurzschlüssen führen können.
  • … besitzen eine hohe chemische Instabilität.

Zink-Luft-Akkumulatoren

Wie du mittlerweile weißt, wird die Zink-Luft-Batterie kommerziell nur als Primärzelle verwendet, da die Redoxreaktion der Batterie mithilfe von Strom nicht wirklich umkehrbar ist.

Neue wissenschaftliche Ergebnisse

Im Januar 2021 veröffentlichten Forscher aus Münster, Shanghai, Wuhan und Maryland einen Artikel, in dem sie eine veränderte Zink-Luft-Batterie vorstellten, die tatsächlich wiederaufladbar ist. Bei diesem Zink-Luft-Akku haben sie die Kalilauge als Elektrolyt durch einen nicht-alkalischen, wässrigen Elektrolyt ersetzt. Dadurch wurde die chemische Reaktion am Elektrolyten verändert. Zusätzlich wird die chemische Stabilität der Zink-Luft-Batterie erhöht und alle chemischen Reaktionen sind umkehrbar. Das bedeutet, dass die Zink-Luft-Batterie wiederaufgeladen werden kann. Der Prototyp des Zink-Luft-Akkumulators konnte im Versuch 320-mal wiederaufgeladen werden und lief 1600 Stunden.

Durch den neuen Elektrolyten findet die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, bei der vier Elektronen freigesetzt werden, nicht mehr statt. Stattdessen findet eine Reduktion von Sauerstoff zu Peroxidanionen statt, bei der zwei Elektronen frei werden.

Vorteile des Zink-Luft-Akkus

• Er besitzt eine höhere Energiedichte, sowie eine höhere Zyklenfestigkeit.
• Die chemische Stabilität der Zink-Luft-Akkus ist höher.

Bevor der Zink-Luft-Akku allerdings auf den Markt kommt, muss die Technologie noch weiter erforscht und verbessert werden.