Eher aus Zufall ist es Forschern erstmals gelungen, eine funktionierende Batterie aus den billigen Rohstoffen Zink und Mangan zu gewinnen. Die neuen Akkus bergen das Potential, leistungsstärker, günstiger und sicherer als Lithium-Ionen-Akku zu werden.

Forscher des Pacific Northwest National Laboratory sind zufällig auf eine Akku-Technologie gestoßen, die so preiswert wie herkömmliche Autobatterien ist, aber eine deutlich höhere Energiedichte liefert. Versuche mit Zink-Mangan-Akkus lieferten entgegen der Erwartungen hervorragende Ergebnisse und praktisch unbegrenzte Ladezyklen.

Zink-Mangan-Akkus sind dabei keine neue Erfindung. Es wird schon seit fast 20 Jahren an wiederaufladbaren Batterien aus den billigen Rohstoffen geforscht. Die sicheren und preiswerten Akkus hielten aber nie länger als ein paar Ladezyklen durch, bis sie untauglich wurden.

Jun Liu, Mitarbeiter des Teams, erklärt, dass diese Fehlschläge vor allem daran lagen, dass man das chemische Gleichgewicht in dem Zink-Mangan-Energiesystem nicht stabil halten konnte. Außerdem war die Forschung viele Jahre praktisch völlig auf Lithium-Ionen-Batterien ausgelegt, die per Wechsellagerung der Lithium-Ionen arbeitet.

Auch als sich die Forscher erneut an einer günstigeren Alternative mit Zink-Mangan-Komponenten versuchten, wurde zunächst dieses Prinzip angewandt. Man ging davon aus, dass sich das Zink ähnlich wie Lithium durch die Elektroden bewegen würde.

Bisher verloren die Akkus bei Tests allerdings sehr schnell ihre Ladekapazität, weil das Mangan unwirksam wurde. Nach einer Weile stabilisiert sich die Ladekapazität zwar, allerdings auf einem sehr niedrigen Niveau.

Bei den neuen Versuchen des Labors reagierte das Zink jetzt aber völlig unerwartet. Statt die Zink-Ionen nur zu bewegen, erzeugte die Zink-Mangan-Batterie eine chemische Reaktion, die das aktive Mangan-Material völlig erneuerte.

Im Unterschied zu früheren Tests erhöhten die Forscher die Mangan-Konzentration, was letztlich zur chemischen Reaktion führte. Das Verfahren wurde so lange optimiert, bis die Akkus eine Kapazität von 285 Milli-Ampere pro Gramm Mangan über 5.000 Ladezyklen erreichten – die Kapazität lag dann immer noch bei 92 Prozent der Ausgangsgröße.

Laut Liu ermöglicht der Forschungserfolg erstmals praxistaugliche Zink-Mangan-Batterien, die sich für die groß angelegte Energiespeicherung im Stromnetz deutlich besser eignen, als etwa Lithium-Ionen-Akkus. Die Zink-Mangan-Speicher sind in etwa so preiswert wie Bleisäure-Batterien und deutlich sicherer im Umgang als Lithium.

Das Team will die Grundlagenforschung nun fortsetzen. Da man jetzt gelernt hat, die chemischen Reaktionen zu steuern, konzentrieren sich die Forscher auf die Herstellung konkreter Produkte. Außerdem sollen weitere Optimierungen die Basisdaten noch verbessern.

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