ZACplus-FAQ

1. Fragen zum Projekt-Rahmen

- Q1.1: Wie ist eigentlich die Wahl auf Zink Luft gefallen bei euch?

 A: Der Hauptgrund waren die einfachen, überall und in ausreichenden Mengen verfügbaren Komponenten (Zink kommt noch häufiger vor als Blei; ist auf Platz 24 der global verfügbaren Stoffe) sowie deren Ungiftigkeit und Umweltverträglichkeit.  Das scheint eine sehr gute Ausgangslage für ein DIY- bzw. Backyard-Forschungsprojekt zu sein. Und nebenbei hat das System eine drei bis fünfmal so hohe Energiedichte wie Lithium-Akkus

- Q1.2: Ist die Zink-Luft-Zelle als Nischentechnologie eine chancen- bzw. aussichts-reiche Sache ? Warum hat das denn bislang noch niemand marktfähig umgesetzt ?

 A: Es gibt aktuell weltweit etliche Projekte die sich damit befassen, zum Teil als Grundlagenforschung im akademischen Bereich (in DE z.B. an der Uni Duisburg und an der FH Münster) zum Teil auch in der freien Wirtschaft (Firmen wie EOS, Zinc8/Abound oder e-zinc). Es hat aber in der Vergangenheit auch etliche Ansätze und Projekte gegeben, die wieder sang- und klanglos von der Bildfläche verschwunden sind [1] ohne das im Nachhinein erkennbar ist, woran es lag oder ob es da irgendeinen fundamentalen Haken gibt. Ein gewisses Muster scheint allerdings darin zu liegen, dass die überwiegende Anzahl der Projekte versucht, eine sekundäre Zelle, d.h. eine wiederaufladbare Batterie bzw. Akku zu bauen, was nochmal eine ganze Reihe zusätzlicher Hürden mit sich bringt. Demgegenüber steht die simple und jederzeit nachvollziehbare experimentelle Beobachtung, dass man mit einem Zink-Luft System durch Oxidation von Zn zu ZnO Strom erzeugen kann und das man ZnO durch Zugabe von Strom wieder zu Zn regenerieren kann. Und die Challenge besteht nun darin, das ganze in einen praktikablen Ablauf im Sinne einer Anwendung zu bringen und die sich auf diesem Weg ergebenden Etappen-Probleme irgendwie zu lösen, was man durch kreative Ansätze, Wissen und Experimente schafft oder man scheitert halt. Manchmal muss auch erst ein bestimmter technologischer Fortschritt erreicht werden, um weiterkommen zu können, so ist zB. die moderne Gaskathode die wir heute verwenden noch eine relativ junge Entwicklung. Die aktve Beschäftigung mit dem Thema, also sowohl das sammeln von Wissen aus der Literatur als auch die praktische Durchführung von Experimenten beinhaltet übrigens auch die Möglichkeit, durch eine Zufallsbeobachtung und jenseits des Mainstream-Ansatzes weiterzukommen (wenn man denn die richtigen Schlüsse zieht; aber zumindest hat es das in der Wissenschaft schon hin und wieder gegeben). Aber wie auch immer, am Ende läuft alles auf die grundlegende Frage hinaus, welcher Gesamt-Wirkungsgrad (Round-Trip-Efficiency) erreicht werden kann. Und sofern dieser zufriedenstellend ist, schliesst sich dann die Frage nach der Wirktschaftlichkeit an, also wieviel es kostet. Das kann dann weitere Fragen implizieren, wie zB. die Frage nach der Lebensdauer einer Gaskathode (bei gegebenen Kosten dafür) und ab da kann dann auch (erstmal) wieder ein Stop sein , oder man findet Ansätze und Wege, wie man das vielleicht weiter optimieren kann. Insofern ist es das erklärte Ziel des ZACplus Citizen-Science Projekts, entweder zu einer laufenden und praktikablen Anwendung zu gelangen, oder aber zumindest die beiden genannten Grundfragen im Sinne einer Moment-Aufnahme und im Rahmen der uns verfügbaren Mittel und Möglichkeiten zu beantworten und zu dokumentieren ... und damit auch die obige FAQ Frage Q1.2.

2. Fragen zur Chemie der Zelle

- Q2.1: Gibt es noch andere mögliche Elektrolyte ?

 A: Ja, andere Elektrolyte sind möglich, zB. organischer Art. Die Fa. Eos (https://www.eose.com/) beansprucht zB. einen ph-neutralen Elektrolyt entwickelt zu haben und damit dem Problem der Dendritenbildung zu begegnen.   Leider sagen sie nicht woraus der besteht, was ein Grund mehr ist warum Open Source Forschung in diesem Bereich eine sinnvolle Sache ist. Eine 20%-ige Kochsalzlösung geht übrigens auch, das hab ich selbst vor ein paar Tagen ausprobiert.  Allerdings  reduziert sich damit die gelieferte Strom-Menge auf rund ein Viertel.  Aber könnte zB.  für Schülerworkshops interessant sein.

- Q2.2: Wieviel g Zinkoxid entstehen aus 65 g Zink ?

 A: Zufällig hat Zink eine Atommasse von 65,38 u. D.h. 65,38 g Zink entsprechen einem Mol (602 Trilliarden Atome).  1 mol Zink verbindet sich nun mit 1 mol Sauerstoff zu 1 mol Zinkoxid.  Sauerstoff hat die Atommasse 15,99 u ==> 1 mol Zinkoxid wiegt 15,99 g + 65,38 g = 81,37 g. Bezogen auf ein Gramm kann man sich also fürderhin als Umrechnungsfaktor 1,24457 oder rund 1,25 merken. (siehe auch ZACplus-Kompendium Stoffmengenkonzentration)

- Q2.3: Welche bekannten Hindernisse / Probleme / Hürden gibt es, die bislang verhindert haben das es ein solches System schon auf dem Markt gibt ?

 A: Also, da muss man unterscheiden zwischen Batterie, Akku (rechargeable ZAB) und Brennstoffzelle bzw. Flow-Battery.  Was nichtwiederaufladbare Batterien betrifft, die gibt es schon seit Jahrzehnten kommerzeill frei erhältlich und zwar als Batterien für Hörgeräte wo sie aufgrund ihrer hohen Energiedichte selten ausgewechselt werden müssen.

 Bei Akkus (wiederaufladbaren Batterien) sind folgende Probleme bekannt die bei einer Flow-Battery oder Brennstoffzelle entfallen könnten (Stichwort: Unterschied zwischen elektrischer und mechanischer Wiederaufladung) und insbesondere beim wiederaufladen auftreten:
 - Dendritenbildung (und nachfolgender Kurzschluss)
 . Struktur und Beschaffenheit einer bifunktionellen Gaskathode
 - Sauerstoffbildung zerstört schnell die (bifunktionelle) Gaskathode (Carbonanteile können zu CO2 reagieren)
 - Elektrolyt Evaporation (Verdunstung)
 - Volumenänderung in der geschlossenen Zelle (ZnO hat ein um ein drittel größeres Volumen als Zn)
 - Wasserstoffbildung und Sauerstoffbildung beim laden
 - einmal in Gang gesetzt ist die Reaktion nicht zu stoppen

 Darüberhinaus gibt es noch folgende Punkte, die nicht nur für Akkus sondern auch für Brennstoffzellen und Flow-Batteries relevant sein können:
 - vorzeitiges "absaufen" der Gaskathode; abhängig von der Zell-Chemie und von der Art (bzw. Produktentwicklung) der verwendeten Gaskathode 
 - verstopfen der Poren der Gaskathode durch ZnO (bei Zellen ohne Zirkulation und bei zu hoher ZnO-Konzentration im Elektrolyten)
 - verstopfen der Poren der Gaskathode durch K2CO3 (Kaliumcarbonat) durch Verbindung der KOH mit dem CO2 in der Luft
 - Parasitäre Wasserstoffentwicklung (HER = Hydrogen Evolution Reaction) verringert die Energiedichte
 
 Weitere Aspekte im Zusammenhang mit mechanischer Wiederaufladung bei Brennstoffzellen und Flo-Batteries
 - Exotherme Reaktion bei der Aufbewahrung von Zinkpulver od. Slurry
 - Reaktion kann nur gestoppt werden indem kein weiteres Zink mehr zugeführt wird, d.h., aktueller Zinkrest i.d. Kammer muss aufgebraucht werden

3. Fragen zum Aufbau / SetUp der Zelle

- Q3.1: Wie mischt man den Elektrolyten an ? (zB. 500 mL mit 6 molarer KOH)

 A: Nach der Formel m_KOH = C_KOH * M * V_L mit m: Masse Trockenes KHO in g; C_KOH: wieviel molar; M: molare Masse in g/mol; V_L Volumen in Liter. Daraus ergibt sich m_KOH = 6 mol/L * 56,11 g/mol *0,5 L = 168,33 g KOH (die in 0,5 L Wasser aufgelöst werden). (siehe auch ZACplus-Kompendium Stoffmengenkonzentration)