Am 9. Oktober 2026 haben Chemiker der Technischen Universität Darmstadt einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung von Zink-Luft-Batterien vorgestellt. Diese Batterien, die bereits seit vielen Jahren in verschiedenen Anwendungen wie Hörgeräten eingesetzt werden, haben sich als äußerst leistungsfähig erwiesen, da sie theoretisch bis zu fünfmal mehr Energie speichern können als die weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus. Jedoch war die Wiederaufladbarkeit dieser Batterien bisher ein großes Hindernis, das ihre Nutzung stark einschränkte. Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jörg J. Schneider hat nun einen neuen Katalysator entwickelt, der die Lebensdauer der Zink-Luft-Batterien erheblich verlängert und somit deren Wiederaufladbarkeit verbessert.
Zink-Luft-Batterien haben sich in der Praxis bewährt, verfügen jedoch über einen Nachteil: Wenn sie entladen sind, werden sie in der Regel entsorgt, da es nur wenige wiederaufladbare Varianten auf dem Markt gibt. Dies ist bedauerlich, da diese Batterien, wenn sie effektiv wiederaufladbar wären, ein enormes Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen bieten würden. Die Herausforderung bei der Wiederaufladbarkeit liegt in den komplexen chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie, die nur schwer zu kontrollieren sind. Das Interesse der Wissenschaftler an diesem Thema ist daher hoch, da es sich um ein spannendes Feld der Grundlagenforschung handelt.
In ihrer aktuellen Studie, die in der Fachzeitschrift „Advanced Science“ veröffentlicht wurde, beschreibt die Forschungsgruppe von Professor Schneider die Entwicklung eines neuartigen Materials, das als Katalysator für Zink-Luft-Batterien fungiert. Die Grundlage dieses Materials bilden sogenannte Spinelle, eine Mineralgruppe, die in der Natur weit verbreitet ist. Ein Beispiel für einen Spinell ist Trevorit, eine Verbindung aus Nickel, Eisen und Sauerstoff. Spinelle werden bereits in verschiedenen Bereichen wie Chemie, Materialwissenschaft und Elektrotechnik aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eingesetzt.
Die Darmstädter Forscher haben winzige Spinell-Partikel aus Eisen und Nickel entwickelt, die sie direkt an Kohlenstoff-Nanomaterialien gebunden haben. Durch die Integration von Stickstoff und Phosphor in die Kohlenstoffoberfläche entsteht ein Verbundmaterial, das mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllt. Es leitet nicht nur Strom, sondern ist auch chemisch stabil und aktiviert das zentrale Element der Batterie, den Sauerstoff.
Eine Zink-Luft-Batterie nutzt den Sauerstoff aus der Umgebungsluft, um beim Entladen chemische Reaktionen zu ermöglichen. Beim Laden muss dieser Sauerstoff wieder freigesetzt werden. Damit diese Reaktionen reibungslos ablaufen, ist ein Katalysator unerlässlich. Die Suche nach Materialien, die beide Prozesse langfristig unterstützen können, ist von entscheidender Bedeutung. Der neue Katalysator aus der TU Darmstadt hat in Experimenten gezeigt, dass er bis zu 500 Lade- und Entladezyklen übersteht, was für die Wiederaufladbarkeit der Zink-Luft-Batterien von großer Bedeutung ist.
Ein entscheidender Aspekt für das Funktionieren der Batterie ist die sogenannte „Dreiphasengrenze“ (triple junction), an der der feste Katalysator, die flüssige Elektrolytlösung und der Sauerstoff zusammentreffen müssen. Nur wenn dieser Kontaktbereich während des Betriebs stabil bleibt, kann die Batterie zuverlässig arbeiten. Das neu entwickelte Verbundmaterial schafft ideale Bedingungen für diesen Prozess.
Die Forschung wurde an der Schnittstelle der beiden Fachbereiche Matter and Materials (M+M) und Energy and Environment (E+E) an der TU Darmstadt durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Studie könnten weitreichende Implikationen für die Zukunft der Energiespeicherung haben und dazu beitragen, die Zink-Luft-Batterien als nachhaltige und effiziente Energiequelle zu etablieren.
Diese Entwicklungen zeigen, wie durch gezielte materialwissenschaftliche Forschung neue Lösungen für bestehende technologische Herausforderungen gefunden werden können, und eröffnen damit neue Perspektiven für die Verwendung von Zink-Luft-Batterien in verschiedenen Anwendungen.
