Können Zink-Luft-Batterien Lithium-Ionen ersetzen?

Einführung

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) bleiben die dominierende Technologie für tragbare Geräte und Elektrofahrzeuge aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ausgereiften Lieferkette. Im Gegensatz dazu sind zinkbasierte Batterien in Bezug auf Sicherheit, Kosten und Nachhaltigkeit sehr attraktiv, stehen jedoch immer noch vor praktischen Einschränkungen hinsichtlich Energiedichte, Lebensdauer und großtechnischer Produktion. Ob sie Lithiumbatterien ersetzen können, hängt hauptsächlich vom Anwendungsszenario ab: Für Geräte mit hohem Energiebedarf und langer Laufzeit werden Lithiumbatterien kurzfristig weiterhin vorteilhafter sein; während Zinkbatterien in Bereichen mit hohen Sicherheitsanforderungen, Kostensensitivität oder stationärer Energiespeicherung schrittweise Fuß fassen könnten.

Was sind die Unterschiede zwischen Lithiumbatterien und Zinkbatterien?

Materialien und Funktionsprinzipien

Lithiumbatterien speichern Energie, indem sie Lithiumionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode bewegen, während zinkbasierte Batterien Zink als „Hauptakteur“ verwenden, darunter Zink-Ionen-Batterien, Zink-Luft-Batterien und Zink-Mangan-Batterien. Insgesamt sind Zinkressourcen reichlicher vorhanden, die Kosten niedriger und das System in der Regel sicherer.

Energiedichte

Lithiumbatterien weisen eine höhere Energiedichte auf, wodurch sie besser für Anwendungen geeignet sind, bei denen lange Laufzeit oder Miniaturisierung im Vordergrund stehen, wie beispielsweise bei Mobiltelefonen und Elektrofahrzeugen.
Zinkbasierte Batterien haben in der Regel eine geringere Energiedichte, zeichnen sich jedoch durch niedrige Materialkosten und reichlich vorhandene Ressourcen aus und werden kontinuierlich verbessert.

Sicherheit

Das Hauptproblem hinsichtlich der Sicherheit bei Lithiumbatterien ist das thermische Durchgehen, das im Extremfall zu Bränden führen kann.
Zinkbasierte Systeme verwenden oft wässrige Elektrolyte, die von Natur aus weniger entflammbar sind, was insgesamt eine bessere Sicherheit ergibt. Allerdings können sie neue Herausforderungen wie das Wachstum von Dendriten aufweisen.

Kosten und Ressourcen

Zink ist viel billiger als Lithium, und die Ressourcen sind leichter verfügbar. Obwohl es den Anschein haben könnte, dass „billigere Materialien = billigere Batterien“ gelten würde, hängt die tatsächliche Kostenhöhe eng mit Faktoren wie Lebensdauer, Produktionskomplexität und Ausbeute zusammen.

Einfacher Vergleich der chemischen Mechanismen

Lithium-Ionen-Batterien: Basieren auf der „Interkalation“ von Lithium-Ionen in das Material und nutzen gemeinsam mit ausgereiften Kathodenmaterialien wie NMC und LFP eine hohe Energiedichte.
Zinkbasierte Batterien: Einige nutzen die Bewegung von Zinkionen, während andere auf die Reaktion mit Sauerstoff aus der Luft angewiesen sind (Zink-Luft-Batterien). Die Reaktionsmechanismen verschiedener Systeme unterscheiden sich stark, was zu unterschiedlichen Leistungsmerkmalen und Anwendungsbereichen führt.

Leistung bei der Energiedichte

Lithium-Ionen-Batterien: Bleiben für die meisten Hochenergie-Anwendungen die "Referenzgröße". Zinkbasierte Batterien: Obwohl die praktische Energiedichte bisher noch nicht hoch ist, verlaufen Forschung und Entwicklung schnell. Beispielsweise weisen Zink-Luft-Batterien theoretisch eine beeindruckende Energiedichte auf, aber Wiederaufladbarkeit und Leistungsabgabe bleiben Engpässe.

Lebensdauerleistung

Lithium-Ionen-Batterien weisen eine ausgereifte Zyklenlebensdauer auf, die je nach System von Hunderten bis zu Tausenden von Zyklen reicht.
Die Lebensdauer zinkbasierter Batterien hängt stärker vom jeweiligen System und Technologien wie der Dendritenunterdrückung ab; sie sind noch am Aufholen, doch deutliche Fortschritte sind erkennbar.

Leistungsfähigkeit

Lithium-Ionen-Batterien haben klare Vorteile bei Hochstromentladung und Schnellladung, wodurch sie die bevorzugte Wahl für viele Hochleistungsanwendungen sind.
Zinkbasierte Batterien stoßen jedoch bei einigen Systemen (insbesondere Zink-Luft) an Grenzen bei der Leistung mit hohen Strömen, obwohl sich die Leistungsfähigkeit von Zink-Ionen-Batterien verbessert.

Materialkosten

Die Rohstoffkosten für Zink sind erheblich niedriger als die für Lithium, und die Lieferkette ist viel einfacher.
Bei der Berechnung der "Gesamtkosten für die Batterienutzung" verkomplizieren Faktoren wie Lebensdauer, Herstellungsverfahren und Stabilität jedoch die Lage.

Sicherheit

Lithium-Ionen-Batterien neigen bei Problemen zur thermischen Durchlaufreaktion, weshalb die Sicherheit stets im Fokus der Industrie steht.
Zinkbasierte Systeme sind chemisch von Natur aus „milder“, insbesondere wässrige Systeme, die praktisch nicht brennbar sind, und bieten somit einen erheblichen Sicherheitsvorteil. Dennoch bleibt das technische Design entscheidend.

Umweltverträglichkeit

Zinkressourcen sind reichlich vorhanden und leicht recyclingfähig, was zu einem vergleichsweise geringeren Umweltdruck führt; das Recycling von Lithiumbatterien hingegen erfordert mehr Aufwand und beinhaltet geopolitische Faktoren im Zusammenhang mit Ressourcen wie Lithium und Kobalt.
Natürlich beeinflusst unabhängig vom Batterietyp die Menge an Energie, die im Produktionsprozess verbraucht wird, sowie die Entsorgung von Batterien am Ende ihrer Lebensdauer die gesamte Umweltleistung.

Aktuelle Entwicklungen bei Zink-basierten Batterien

Zink-Luft-Batterien

Vorteile: Hohe theoretische Energiedichte, niedrige Kosten, umweltfreundlich; geeignet für Energiespeicher und andere Anwendungen, die „hohe Energie + geringe Leistung“ erfordern.
Herausforderungen: Wiederaufladbarkeit, Zyklenlebensdauer und Effizienz der Luftreaktion bleiben zentrale technologische Herausforderungen.

Zink-Ionen-Batterien (ZIB)

Derzeit die zinkbasierte Technologie mit der besten Chance auf Großserienproduktion: sicher, kosteneffizient, mit stetig steigender Energiedichte und Lebensdauer, und ihre zukünftigen Anwendungen werden voraussichtlich weiter zunehmen.

Zink-Mangan-Batterien (Zn-MnO₂)

Diese Batterien sind kostengünstig und sicher, benötigen aber weitere Durchbrüche hinsichtlich Zyklenlebensdauer und Energiedichte.

Zink- Kohlebatterien

Sie werden häufig in Einweg-Anwendungen mit niedrigen Kosten eingesetzt, ihre Positionierung ist relativ klar und sie werden moderne Lithiumbatterien wahrscheinlich nicht ersetzen.

Zusammenfassung: Wettbewerb oder Komplementarität?

Für Anwendungen wie Mobiltelefone und Elektrofahrzeuge, die sowohl hohe Leistung als auch große Reichweite erfordern, werden Lithiumbatterien in den nächsten Jahren die zuverlässigste und ausgereifteste Lösung bleiben.

Zinkbasierte Batterien bieten Vorteile in Bezug auf Sicherheit, Kosten und Ressourcenfreundlichkeit. Ihre Leistung verbessert sich stetig, weshalb sie in bestimmten Anwendungsbereichen – insbesondere bei stationären Energiespeichern, Netzregulierung und sicherheitskritischen Geräten – zunehmend an Bedeutung gewinnen werden.

Aus trendtechnischer Sicht ist die „vollständige Ersetzung von Lithiumbatterien“ kurzfristig unrealistisch, aber die Nutzung „zusammen und ergänzend zueinander“ ist ein sinnvollerer Entwicklungsweg. Auf dem zukünftigen Markt wird voraussichtlich eine Koexistenz mehrerer Systeme bestehen, bei der jeweils die Stärken genutzt werden, anstatt dass ein einziger Batterietyp den Markt beherrscht.

Beschreibung: Zink-Luft-Batterien bieten klare Vorteile in Bezug auf Kosten, Sicherheit und Nachhaltigkeit, doch ihre Einschränkungen hinsichtlich Energiedichte, Wiederaufladbarkeit und Lebensdauer verhindern eine kurzfristige Ersetzung von Lithium-Ionen-Batterien. Stattdessen werden sie diese wahrscheinlich ergänzen, insbesondere in stationären Speicheranwendungen und sicherheitskritischen Einsatzbereichen.