Zink-Luft-Batterie

Eine Zink-Luft-Batterie ist eine Primärzelle, d. h. elektrische Einweg-Zelle (umgangssprachlich meist einfach nur als „Batterie“ bezeichnet), deren Spannung von theoretisch maximal 1,60 V aufgrund einer Zink-Sauerstoff-Reaktion entsteht. Die praktisch erreichbare Ruhespannung liegt jedoch bei nur 1,35 bis 1,4 V, da die Sauerstoffreduktion an der Kathode stark gehemmt ist. Damit liegen Zink-Luft-Batterien im gleichen Spannungsbereich wie die nicht mehr hergestellten Quecksilberoxid-Zink-Batterien und haben diese bei der Anwendung in Hörgeräten (siehe auch Hörgerätebatterie) ersetzt. Die Zink-Luft-Batterie wurde vor allem aufgrund des Rohstoffmangels nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelt. Heute bietet sie in der Bauform als Knopfzelle durch besonders hohe Energiedichte und eine annähernd waagerechte Entladungskurve die optimale Stromversorgung für analoge und digitale Hörgeräte. Auch wird sie in größerer Form für Elektrozaungeräte und als Laternenbatterie mit besonders hoher Kapazität hergestellt. Während des Zweiten Weltkriegs wurde sie als Flachbatterie gebaut.[1]

Zink-Luft-Batterietypen, die als Hörgerätebatterien Verwendung finden:
Blau (675), PR44, 11,56 mm × 5,33 mm
Orange (13), PR48, 7,80 mm × 5,35 mm
Braun (312), PR41, 7,80 mm × 3,45 mm
Gelb (10), PR70, 5,80 mm × 3,60 mm

Nachdem im Zuge der Brennstoffzellenentwicklung hochbelastbare Gasdiffusionselektroden in Folienform entstanden sind,[2] wurden auch Zink-Luft-Akkumulatoren möglich.

Entladung

Schnittdarstellung

PR70 von beiden Seiten
Links zu sehen: Anode und Isolierung
Rechts zu sehen: Kathode und Eintrittsöffnung für den Luftsauerstoff

Entfernen der Versiegelungslasche für die Eintrittsöffnung des Luftsauerstoffs

Spannungsanstieg nach dem Entfernen der Versiegelungslasche

In der Zink-Luft-Batterie wird Zink mit Luftsauerstoff in einem alkalischen Elektrolyten zu Oxid oder Hydroxid oxidiert und die dabei freiwerdende Energie elektrochemisch genutzt. Es laufen die folgenden Reaktionen ab:

	Gleichung[3]
Anode	$\mathrm {2\ Zn+8\ OH^{-}\to 2\ Zn(OH)_{4}^{2-}+4\ e^{-}} \quad (\mathrm {E^{0}} =-1{,}199\,\mathrm {V} )$ [4] Oxidation / Elektronenabgabe
Elektrolyt	$\mathrm {2\ Zn(OH)_{4}^{2-}\to 2\ ZnO+2\ H_{2}O+4\ OH^{-}}$
Kathode	$\mathrm {O_{2}+2\ H_{2}O+4\ e^{-}\to 4\ OH^{-}} \quad (\mathrm {E^{0}} =0{,}401\,\mathrm {V} )$ [5] Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm {2\ Zn+O_{2}\to 2\ ZnO} \quad (\Delta U=1{,}6\,\mathrm {V} )$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Die Poren der Gasdiffusionselektrode müssen mit einem Elektrolyt benetzt sein, um eine große Reaktionsfläche für den Sauerstoffumsatz an der Dreiphasengrenze anzubieten. Das „Herzstück“ der Gasdiffusionselektrode ist eine etwa 1 mm dünne Aktivschicht, die ein leitendes Trägermaterial aus feinteiligem Kohlenstoff aufweist, auf das elektrolytseitig ein Katalysator zur Beschleunigung der Sauerstoffreduktion und Hydroxidoxidation aufgebracht wird.

Bei neuen Batterien ist die Eintrittsöffnung für den Luftsauerstoff meist mit einer Lasche versiegelt, so dass die Redoxreaktionen erst bei Entfernung dieses Siegels einsetzen. Daher zeichnen sich Zink-Luft-Batterien durch eine lange Lagerfähigkeit aus, müssen nach Entfernung des Siegels jedoch in der Regel innerhalb weniger Wochen aufgebraucht werden.

Ladung

	Gleichung
Anode	$\mathrm {4\ OH^{-}\to O_{2}+2\ H_{2}O+4e^{-}}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm {2\ ZnO+2\ H_{2}O+4\ e^{-}\to 2\ Zn+4\ OH^{-}}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm {2\ ZnO\to 2\ Zn+O_{2}}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Eine Wiederaufladbarkeit kann erreicht werden, wenn das umgesetzte Metall mechanisch ersetzt wird, womit eine Variante einer Brennstoffzelle mit festem Brennstoff vorliegt. Solche Systeme werden seit den 1970er Jahren auf ihre Eignung in Elektrofahrzeugen geprüft, haben sich bisher jedoch noch nicht bewähren können.

Eine elektrische Wiederaufladung wäre weniger aufwändig und damit benutzerfreundlicher. Ein Wiederaufladen der Zink-Elektrode ist in einem wässrigen alkalischen Elektrolyten möglich; dabei bilden sich aber Dendriten, die zu Kurzschlüssen führen. Außerdem muss eine bifunktionale, poröse Gasdiffusionselektrode verwendet werden. Bifunktional heißt, dass sie zur Reduktion des Luftsauerstoffs und zur Oxidation des Entladungsprodukts (OH⁻) an der Dreiphasengrenze Festelektrode – Flüssigelektrolyt – Gasraum fähig sein muss.

Bauformen

Die zurzeit gängigsten Typen sind 13 (orange), 312 (braun) und 10 (gelb), welche besonders in Hörgeräten Verwendung finden.

Nummer/ Type	Farb- Schema	IEC	ANSI	Renata	Varta	Duracell	Durchmesser × Höhe	Kapazität (Richtwert)	Span- nung
Nummer/ Type	Farb- Schema	(Zink-Luft)		Renata	Varta	Duracell	Durchmesser × Höhe	Kapazität (Richtwert)	Span- nung
675	blau	PR44	7003ZD	ZA675	V675A	DA675	11,56 mm × 5,33 mm	600 mAh	1,4 V
13	orange	PR48	7000ZD	ZA13	V13A	DA13	07,80 mm × 5,35 mm	290 mAh	1,4 V
312	braun	PR41	7002ZD	ZA312	V312A	DA312	07,80 mm × 3,45 mm	160 mAh	1,4 V
10	gelb	PR70	7005ZD	ZA10	V10A	DA230	05,80 mm × 3,60 mm	090 mAh	1,4 V
5	rot	PR63		ZA5			05,80 mm × 2,16 mm	035 mAh	1,4 V

Literatur

Carl H. Hamann, Wolf Vielstich: Elektrochemie. 3., vollständig überarbeitete Auflage. WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim 1998, ISBN 3-527-27894-X.

Weblinks

Commons: Zink-Luft-Batterien – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Spiegel-Online-Bericht über verbesserte Zink-Luft-Batterien, abgerufen am 4. Okt. 2009
RWE Innogy investiert 5,5 Millionen Euro in die Erforschung verbesserter Zink-Luft-Batterien, abgerufen am 4. Okt. 2009

Einzelnachweise

Dokumentationszentrum NS-Zwangsarbeit. Abgerufen am 19. März 2021 (englisch).
Hamann, Vielstich: Elektrochemie. 1998, S. 497.
Technisches Datenblatt (Memento vom 8. September 2011 im Internet Archive) von Duracell.
David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 77. Auflage. CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Analytical Chemistry, S. 8-25.
David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 77. Auflage. CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Analytical Chemistry, S. 8-23.

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[1] Dokumentationszentrum NS-Zwangsarbeit. Abgerufen am 19. März 2021 (englisch).

[2] Hamann, Vielstich: Elektrochemie. 1998, S. 497.

[3] Technisches Datenblatt (Memento vom 8. September 2011 im Internet Archive) von Duracell.

[4] David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 77. Auflage. CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Analytical Chemistry, S. 8-25.

[5] David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 77. Auflage. CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Analytical Chemistry, S. 8-23.


Primärzellen:	Alkali-Mangan-Batterie • Aluminium-Luft-Batterie • Lithiumbatterie • Lithium-Eisensulfid-Batterie • Lithium-Iod-Batterie • Lithium-Mangandioxid-Batterie • Lithium-Thionylchlorid-Batterie • Lithium-Schwefeldioxid-Batterie • Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie • Nickel-Oxyhydroxid-Batterie • Quecksilberoxid-Zink-Batterie • Silberoxid-Zink-Batterie • Zink-Kohle-Zelle • Zinkchlorid-Batterie • Zink-Luft-Batterie
Sekundärzellen:	Aluminium-Ionen-Akkumulator • Bleiakkumulator • Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator • Lithium-Ionen-Akkumulator • Lithium-Luft-Akkumulator • Lithium-Mangan-Akkumulator • Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator • Lithium-Schwefel-Akkumulator • Lithiumtitanat-Akkumulator • Natrium-Ionen-Akkumulator • Natrium-Schwefel-Akkumulator • Nickel-Cadmium-Akkumulator • Nickel-Eisen-Akkumulator • Nickel-Lithium-Akkumulator • Nickel-Metallhydrid-Akkumulator • Nickel-Wasserstoff-Akkumulator • Nickel-Zink-Akkumulator • Polysulfid-Bromid-Akkumulator • RAM-Zelle • Silber-Zink-Akkumulator • Vanadium-Redox-Akkumulator • Zink-Brom-Akkumulator • Zink-Luft-Akkumulator • Zebra-Batterie • Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator
Historische Zellen:	Bagdad-Batterie • Chromsäure-Element • Daniell-Element • Edison-Lalande-Element • Gravity-Daniell-Element • Grove-Element • Leclanché-Element • Voltasche Säule • Clark-Normalelement • Weston-Normalelement • Zambonisäule
Ausführungen:	Akkumulator • Batterie • Lithium-Polymer-Akkumulator • Brennstoffzelle • Knopfzelle • Konzentrationselement • Redox-Flow-Batterie • Thermalbatterie
Bestandteile:	Halbzelle (Donator- und Akzeptorhalbzelle)