Aufgabe 4 – Zink-Luft-Zellen – ein Oldtimer neu aufpoliert

Die Zink-Luft-Batterie, eine galvanische Zelle, die ursprünglich 1841 von Robert Bunsen skizziert und 1932 erstmals kommerziell eingeführt wurde, diente jahrzehntelang in Form von Knopfzellen als Einweglösung in Hörgeräten. In den letzten Jahren werden zunehmend weitere Anwendungen interessant. Sie könnte sogar die Welt der Energiespeicherung revolutionieren.

Erläutere unter Angabe von Reaktionsgleichungen die Reaktionstypen der Schritte 1 und 2 bei der Gewinnung von Zink(II)-sulfat-Lösung für das Nassverfahren (M 1).

12 BE

Begründe die Notwendigkeit des Separators in der dargestellten Zink-Luft-Zelle (M 2).

Ordne der schematischen Darstellung aus Abbildung 1 die Begriffe Anode und Kathode begründet zu (M 2).

Gib für den Entladevorgang einer Zink-Luft-Zelle die Teilgleichungen für die Elektrodenreaktionen an und stelle unter Verwendung dieser Teilgleichungen eine Gesamtreaktionsgleichung auf (M 2).

10 BE

Berechne die Masse an Zink, die beim Entladevorgang umgesetzt wird. Gehe dabei von einer direkten Reaktion zu Zink(II)-oxid aus (M 1, M 2, M 3).

Ermittle die vom Hersteller auszuweisende Kapazitätsangabe in $Formula: \text{mAh}$ $Formula: \text{mAh}$ (M 3).

Überprüfe mithilfe der Messwerte die Angabe des Herstellers (M 3).

10 BE

Diskutiere anhand von fünf Argumenten den Einsatz von Zink-Luft-Batterien als Alternative für Lithium-Ionen-Akkumulatoren (M 4).

Begründe die besondere Problematik der Bildung von Dendriten (M 4).

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Material M 1: Gewinnung von Zink

In der Natur kommt Zink $Formula: \bigl(M(\text{Zn})=65{,}4\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}\bigr)$ $Formula: \bigl(M(\text{Zn})=65{,}4\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}\bigr)$ nicht gediegen, sondern nur in Form von Erzen – sehr häufig Sulfiden – vor. Die Gewinnung von Zink aus Zink(II)-sulfid erfolgt heute hauptsächlich durch das sogenannte Nassverfahren, in dem eine Zink(II)-sulfat-Lösung elektrolysiert wird. So erhält man metallisches Zink mit einer Reinheit von $Formula: 99{,}99\,\%.$ $Formula: 99{,}99\,\%.$

Die zu elektrolysierende Lösung wird in zwei Schritten hergestellt:

Gewinnung von Zink(II)-oxid aus Zink(II)-sulfid, indem man es bei ca. $Formula: 480\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 480\ ^\circ\text{C}$ mit Sauerstoff zur Reaktion bringt. Dabei bildet sich neben Zink(II)-oxid noch Schwefeldioxid.
Reaktion von Zink(II)-oxid mit verdünnter Schwefelsäure.

Material M 2: Zink-Luft-Knopfzelle

Zink wird in Zink-Luft-Batterien eingesetzt. Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Zink-Luft-Knopfzelle sowie vereinfacht die ablaufenden Prozesse bei Stromfluss an Anode und Kathode. In einer Folgereaktion entsteht aus den Zinkat-Ionen $Formula: \bigl(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\bigr)$ $Formula: \bigl(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\bigr)$ schließlich Zink(II)-oxid.

Schema einer Zink-Luft-Batterie mit beschrifteten Bauteilen und Reaktionspfeilen

Abbildung 1: schematische Darstellung einer Zink-Luft-Knopfzelle

Material M 3: Bestimmung der Kapazität einer Zink-Luft-Knopfzelle

Die zu entnehmende elektrische Ladung Formula: Q ist eine wichtige Kenngröße bei Batterien. Sie wird auf der Verpackung in der Regel als sogenannte „Kapazität“ in $Formula: \text{mAh}$ $Formula: \text{mAh}$ angegeben.

Einer Zink-Luft-Knopfzelle kann laut Hersteller die elektrische Ladung $Formula: Q=1008\ \text{C}$ $Formula: Q=1008\ \text{C}$ entnommen werden.

In einem Experiment soll die Herstellerangabe dieser Zink-Luft-Knopfzelle überprüft werden. Dazu wird diese mit Hilfe eines Widerstands entladen und dabei alle $Formula: 24\ \text{h}$ $Formula: 24\ \text{h}$ die Masse der Batterie bestimmt. Tabelle 1 zeigt die ermittelten Werte.

Tabelle 1: Experimentell ermittelte Werte

Zeit in $Formula: \textbf{h}$ $Formula: \textbf{h}$	Masse in $Formula: \textbf{g}$ $Formula: \textbf{g}$

Material M 4: Vor- und Nachteile der Zink-Luft-Zellen

Zink-Luft-Zellen haben in jüngerer Zeit aus mehreren wichtigen Gründen erneut Aufmerksamkeit in Forschung und Entwicklung erregt.

Zink ist eine umweltfreundlichere und kostengünstigere Alternative zu Metallen wie Lithium oder Blei. Der Abbau von Lithium birgt erhebliche Risiken für die Umwelt und die menschliche Gesundheit, da er zu Wasserknappheit und Verschmutzung der Umwelt führt. Aufgrund seiner hohen Verfügbarkeit und geringen Kosten in Verbindung mit ebenso geringen Umweltauswirkungen beim Abbau ist Zink eine attraktive Wahl für nachhaltige Energiespeicherlösungen.

Auch die Wiederverwertung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren gestaltet sich aufgrund ihres komplexen Aufbaus schwierig und unwirtschaftlich und ist zudem mit Sicherheitsrisiken verbunden. Zink-Luft-Zellen können dagegen aufgrund der einfachen chemischen Zusammensetzung sehr leicht und sehr effizient nahezu vollständig recycelt werden.

Die Produktion von Zink-Luft-Zellen, von der Rohstoffgewinnung bis zum fertigen Produkt, könnte sogar komplett in Deutschland realisiert werden. Im Gegensatz zum Lithiumabbau, der oft unter Missachtung grundlegender Menschen- und Arbeitsrechte stattfindet, könnten durch die lokale Produktion in Deutschland strengere Umwelt- und Arbeitsschutzstandards gewährleistet werden.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die hohe Energieeffizienz von Zink-Luft-Zellen. Sie weisen eine hohe Energiedichte auf, was bedeutet, dass sie bei geringer Masse und Volumen viel Energie speichern können. Seit Jahrzehnten findet man Zink-Luft-Primärelemente (Batterien) daher z. B. in Hörgeräten.

Sekundärelemente (Akkumulatoren) sind Gegenstand der Forschung, denn noch ist das Wiederaufladen von Zink-Luft-Zellen problematisch. In Deutschland aktuell in der Testphase befindliche wiederaufladbare Zink-Luft-Akkumulatoren lassen jedoch hoffen, dass diese die Lithium-Ionen-Akkumulatoren zukünftig etwa als Energiespeicher für Photovoltaikanlagen oder in Elektroautos ersetzen werden. Vor allem in der Elektromobilität könnten die Zink-Luft-Akkus mit ihren deutlich größeren Energiedichten höhere Reichweiten mit einem geringeren ökologischen Fußabdruck ermöglichen.

Das Hauptproblem, das ein Wiederaufladen der Zink-Luft-Batterie und damit die Einführung des Zink-Luft-Akkumulators erschwert, ist die Bildung von Dendriten.

Dendriten sind nadelförmige, kristalline Strukturen, die sich beim Aufladen auf der Zinkelektrode durch ungleichmäßiges Abscheiden von Zink bilden und Leistungsfähigkeit sowie Sicherheit der Zelle beeinträchtigen können. Besonders problematisch sind diese metallischen Auswüchse dann, wenn sie entweder bis zum Gehäuse oder zur Kohleelektrode wachsen.

Quellen (ggf. verändert):

M 1:	Hollemann, A., Wiberg, E. & Wiberg, N. (1985). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (91. – 100. verbesserte und stark verbesserte Auflage). Walter de Gruyter.
M 2:	Abbildung 1: eigene Grafik nach https://elib.dlr.de/109269/1/Abschlussarbeit.pdf (Zugriff am: 12.11.2025)
M 3:	Tabelle 1: eigene Messung Hersteller-Angabe: Conrad-Elektronik
M 4:	https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/lithium-ionen-akkus-sind-zink-luft-akkus-die-zukunft-der-batterien/ (Zugriff am: 25.02.2024) https://www.pv-magazine.de/unternehmensmeldungen/sonnenenergie-nachhaltig-speichern-mit-zink-und-luft/ (Zugriff am: 07.02.2025) https://de.investing.com/analysis/technologischer-durchbruch-in-der-massenspeicherindustrie-200220998 (Zugriff am: 04.10.2024) https://www.deutschlandfunk.de/lithium-abbau-in-suedamerika-kehrseite-der-energiewende-100.html (Zugriff am: 25.02.2024)

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Schritt 1:

$Formula: \ce{2ZnS + 3O2 \longrightarrow 2ZnO + 2SO2}$ $Formula: \ce{2ZnS + 3O2 \longrightarrow 2ZnO + 2SO2}$
Redoxreaktion: Elektronenübertragung
Reduktion: Elektronenaufnahme; Sauerstoff-Atome im Sauerstoff-Molekül werden reduziert, wobei sich die Oxidationszahl von zu $Formula: -\text{II}$ $Formula: -\text{II}$ ändert.
Oxidation: Elektronenabgabe; Sulfid-Ionen werden oxidiert, wobei sich die Oxidationszahl von $Formula: -\text{II}$ $Formula: -\text{II}$ zu $Formula: +\text{IV}$ $Formula: +\text{IV}$ ändert.

Schritt 2:

$Formula: \ce{ZnO + 2H3O+ \longrightarrow Zn^2+ + 3H2O}$ $Formula: \ce{ZnO + 2H3O+ \longrightarrow Zn^2+ + 3H2O}$
Säure-Base-Reaktion: Protonenübertragung
Säure: Oxonium-Ionen agieren als Protonendonatoren.
Base: Oxid-Ionen des Zink(II)-oxids agieren als Protonenakzeptoren.

Begründung der Notwendigkeit des Separators

Durch den Separator erfolgt eine räumliche Trennung von Oxidation und Reduktion.
Es kann sich aber ein geschlossener Stromkreis ausbilden.
Er verhindert eine direkte Reaktion, aber erlaubt den Ladungsausgleich, da er für eine Ionensorte durchlässig ist.

Zuordnung der Begriffe

Schematische Darstellung einer Zink-Kohle-Batterie mit Anode, Kathode und Elektronenfluss

Anode:	Elektrode, an der die Oxidation stattfindet.
Kathode:	Elektrode, an der die Reduktion stattfindet.

Angabe der Teilgleichungen und der Gesamtreaktionsgleichung

$Formula: \begin{array}[t]{rll} &\ce{Zn + 4OH- \rightleftharpoons [Zn(OH)4]^2- + 2e-}& \\[5pt] &\ce{O2 + 2H2O + 4e- \rightleftharpoons 4OH-}& \\[2pt] &\overline{\ce{2Zn + 4OH- + O2 + 2H2O \rightleftharpoons 2[Zn(OH)4]^2-}}& \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} &\ce{Zn + 4OH- \rightleftharpoons [Zn(OH)4]^2- + 2e-}& \\[5pt] &\ce{O2 + 2H2O + 4e- \rightleftharpoons 4OH-}& \\[2pt] &\overline{\ce{2Zn + 4OH- + O2 + 2H2O \rightleftharpoons 2[Zn(OH)4]^2-}}& \end{array}$

Berechnung der Masse an Zink

Die Massendifferenz im Versuch beträgt $Formula: \Delta m=0{,}881\ \text{g}-0{,}799\ \text{g}=0{,}082\ \text{g}.$ $Formula: \Delta m=0{,}881\ \text{g}-0{,}799\ \text{g}=0{,}082\ \text{g}.$

Die Massenzunahme erfolgt durch die Reaktion von Zink zu Zink(II)-oxid.

$Formula: \begin{array}{rlll} n(\ce{O^2-})&=&\dfrac{m(\ce{O^2-})}{M(\ce{O^2-})} \\[5pt] &=&\dfrac{0{,}082\;\text{g}}{16{,}0\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}} \\[5pt] &=&0{,}00513\;\text{mol} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} n(\ce{O^2-})&=&\dfrac{m(\ce{O^2-})}{M(\ce{O^2-})} \\[5pt] &=&\dfrac{0{,}082\;\text{g}}{16{,}0\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}} \\[5pt] &=&0{,}00513\;\text{mol} \end{array}$

$Formula: n(\ce{O^2-})=n(\text{ZnO})=n(\ce{Zn^2+})$ $Formula: n(\ce{O^2-})=n(\text{ZnO})=n(\ce{Zn^2+})$

$Formula: \begin{array}{rlll} m(\text{Zink})&=&n(\ce{Zn^2+})\cdot M(\ce{Zn^2+}) \\[5pt] &=&0{,}00513\;\text{mol}\cdot65{,}4\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}} \\[5pt] &=&0{,}336\;\text{g} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} m(\text{Zink})&=&n(\ce{Zn^2+})\cdot M(\ce{Zn^2+}) \\[5pt] &=&0{,}00513\;\text{mol}\cdot65{,}4\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}} \\[5pt] &=&0{,}336\;\text{g} \end{array}$

Ermittlung der Kapazität

Es gilt: $Formula: 1008\ \text{C}=1008\ \text{As}$ $Formula: 1008\ \text{C}=1008\ \text{As}$

$Formula: \begin{array}{rlll} Q&=&1008\;\text{As} \\[5pt] &=&1008\;\text{As}\cdot\dfrac{1000\;\frac{\text{mA}}{\text{A}}}{3600\;\frac{\text{s}}{\text{h}}} \\[5pt] &=&280\;\text{mAh} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} Q&=&1008\;\text{As} \\[5pt] &=&1008\;\text{As}\cdot\dfrac{1000\;\frac{\text{mA}}{\text{A}}}{3600\;\frac{\text{s}}{\text{h}}} \\[5pt] &=&280\;\text{mAh} \end{array}$

Überprüfung der Herstellerangabe

Durch Umstellen der Faraday-Gleichung ergibt sich:

$Formula: \begin{array}{rlll} I\cdot t&=&n\cdot z\cdot F \\[5pt] &=&0{,}00513\;\text{mol}\cdot2\cdot96485{,}33\;\dfrac{\text{C}}{\text{mol}} \\[5pt] &=&990\;\text{As} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} I\cdot t&=&n\cdot z\cdot F \\[5pt] &=&0{,}00513\;\text{mol}\cdot2\cdot96485{,}33\;\dfrac{\text{C}}{\text{mol}} \\[5pt] &=&990\;\text{As} \end{array}$

Somit bestätigen die im Schülerexperiment ermittelten Werte die Herstellerangabe im Rahmen der Messgenauigkeit.

Diskussion des Einsatzes von Zink-Luft-Batterien

Pro-Argumente:

Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit: Zink verursacht weniger ökologische Probleme beim Abbau als Lithium (Wasserknappheit und chemische Verschmutzung).
Kosteneffizienz: Zink ist kostengünstiger und besser verfügbar als Lithium, was zu geringeren Kosten für die Batterieproduktion führt.
Einfaches Recycling: Zink-Luft-Batterien können aufgrund ihrer einfachen chemischen Zusammensetzung effizienter und vollständiger recycelt werden als Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
Hohe Energiedichte: Zink-Luft-Batterien bieten eine hohe Energiedichte, was sie für Anwendungen wie Hörgeräte und möglicherweise auch für Photovoltaikanlagen und Elektroautos attraktiv macht.
Lokale Produktionsmöglichkeiten: Die vollständige Produktion in Deutschland könnte strengere Umwelt- und Arbeitsschutzstandards gewährleisten und die Abhängigkeit von Lithium-Importen reduzieren.

Contra-Argumente:

Aufladeprobleme: Aktuell ist das Aufladen von Zink-Luft-Batterien problematisch, was ihre Verwendung als wiederaufladbare Energiequelle einschränkt.

Fazit:

Zusammenfassend bieten Zink-Luft-Batterien signifikante Vorteile in Bezug auf Umweltfreundlichkeit, Recyclingfähigkeit und Kosten. Ihre hohe Energiedichte könnte sie zu einer vielversprechenden Option für zukünftige Anwendungen machen. Allerdings gibt es immer noch Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf das Aufladen und die technologische Reife, die vor einer breiteren Einführung, vor allem in der Elektromobilität, zu überwinden sind.

Begründung der Problematik der Dendriten

Dendriten, die die Batteriehülle erreichen, können strukturelle Schäden verursachen, was zum Austritt von Chemikalien führen kann. Wachstum von Dendriten bis zur Graphitelektrode kann Kurzschlüsse verursachen. Dies kann die Batterieleistung beeinträchtigen und führt zu Sicherheitsrisiken (Überhitzung, Brände).

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