Zink-Luft-Batterie | Zusammensetzung und Anwendung

Zink-Luft-Batterien

Zink-Luft-Batterien sind sowohl nicht wiederaufladbare als auch mechanisch wiederaufladbare Metall-Luft-Batterien, die durch die Oxidation von Zink mit Sauerstoff aus der Luft betrieben werden. Diese Batterien haben hohe Energiedichten und sind relativ kostengünstig in der Herstellung. Zink-Luft-Batterien bieten spezifische und volumetrische Energiedichten von etwa 500 Wh.kg^-1 und 1000 Wh.L^-1, die zu den höchsten für ein Batteriesystem gehören. Die kommerziell verfügbare primäre Zink-Luft-Batterie hat einen Aufkleber über den Luftzugangsöffnungen, der erst unmittelbar vor Gebrauch entfernt wird. Nachdem der Aufkleber entfernt wurde, wird empfohlen, die Batterie kontinuierlich zu verwenden.

Grundlegende Reaktion und Elektrische Eigenschaften

Die Gesamtreaktion in einer Zink-Luft-Batterie kann wie folgt dargestellt werden: Zn(s) + O₂(g) ⇌ 2ZnO(s) [e° = +1.59 V]. Eine elektrische Batterie ist im Wesentlichen eine Quelle für Gleichstromenergie. Sie wandelt gespeicherte chemische Energie durch einen elektrochemischen Prozess in elektrische Energie um und bietet so eine Quelle der elektromotorischen Kraft, um Ströme in elektrischen und elektronischen Schaltkreisen zu ermöglichen. Eine typische Batterie besteht aus einer oder mehreren Volta-Zellen.

Aufbau und Funktionsweise

Das grundlegende Prinzip in einer elektrochemischen Zelle sind spontane Redoxreaktionen in zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten getrennt sind, einer Substanz, die ionisch leitfähig und elektrisch isolierend ist. Chemische Energie kann beispielsweise in Zn oder Li gespeichert werden, die hohe Energieträger sind, da sie nicht durch d-Elektronenbindung stabilisiert sind, im Gegensatz zu Übergangsmetallen. Obwohl es eine breite Palette von Batterietypen mit verschiedenen Materialkombinationen gibt, verwenden alle das gleiche Prinzip der Oxidations-Reduktions-Reaktion. Batterien sind so konzipiert, dass die energetisch günstige Redoxreaktion nur stattfinden kann, wenn Elektronen durch den externen Teil des Stromkreises fließen.

Vorteile und Nachteile von Zink-Luft-Batterien

Vorteile:

• Primärbatterien haben eine höhere Energiedichte als wiederaufladbare Sekundärzellen.
• Hohe spezifische Energie, lange Lagerzeiten (geringe Selbstentladung) und sofortige Einsatzbereitschaft geben Primärbatterien einen einzigartigen Vorteil gegenüber anderen Energiequellen.
• Sie sind in der Regel die beste Wahl für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch.

Nachteile:

• Der Hauptnachteil von Primärbatterien ist, dass sie nicht wiederaufladbar sind.
• Ein weiterer Nachteil ist ihre geringe C-Rate.
• Die Anwendung von Primärbatterien führt zu einer großen Menge an zu recycelnden Abfallbatterien.
• Für große Batterien sind Primärbatterien normalerweise nicht kosteneffektiv.

Charakteristiken von Zink-Luft-Batterien

Zum Vergleich und Verständnis der Fähigkeit jeder Batterie sind einige wichtige Parameter charakteristisch für jede Batterie, auch innerhalb eines Batterietyps. Diese Parameter sind eine Referenz, wenn eine Batterie benötigt wird und spezifische Qualitäten erforderlich sind, da Batterien in allen Arten von Geräten und für unendliche Zwecke verwendet werden.

• Zellspannung: Die nominale Leerlaufspannung für eine Zink-Luft-Zelle beträgt 1,4 Volt. Die Betriebsspannung während der Entladung hängt von der Entladungslast und der Temperatur ab.
• Abschaltungsspannung: Die nominale Abschaltungsspannung für Zink-Luft-Zellen beträgt 0,9 Volt.
• Kapazität: Die coulometrische Kapazität ist die gesamten verfügbaren Amperestunden, wenn die Batterie bei einem bestimmten Entladestrom von 100% SOC auf die Abschaltungsspannung entladen wird.
• C-Rate der Batterie: Die C-Rate wird verwendet, um auszudrücken, wie schnell eine Batterie relativ zu ihrer maximalen Kapazität entladen oder geladen wird.
• Selbstentladung: Batterien entladen sich allmählich selbst, auch wenn sie nicht angeschlossen sind und keinen Strom liefern.

Zink ist ein sehr vielversprechendes Element aufgrund seiner Entsorgbarkeit, seiner nicht-toxischen Verhaltensweise und weil es als Sekundärzelle verwendet werden kann. Trotz dieser Vorteile handelt es sich hierbei um eine Primärbatterie und sie kann nicht aufgeladen werden. Bei größeren Einheiten könnten die Batterien mechanisch aufgeladen werden, indem die Zinkelektrode und der Elektrolyt physisch ersetzt werden. Elektrische Aufladeoptionen sind heutzutage in der Entwicklung, aber da diese Entwicklung noch in ihren Anfängen steckt, werden viele Jahre benötigt, um diese Technologie zu erreichen.