Zink-Luft Batterie
Darstellung einer Zink-Luft Batterie
Als erster Milestone soll eine einfache Zink-Luft-Batterie nachgebaut werden, die in etwa einer handelsüblichen Knopfzelle entspricht. Dazu wird zunächst ein einfaches Testsystem entwickelt, welches es ermöglicht, einzelne Komponenten auszutauschen und so die detaillierte Zusammensetzung zu ermitteln.
Testsystem
Gasdiffusions-Elektrode
Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung der Kathode als Gasdiffusions-Elektrode (GDE bzw. GDL = Gas Difusion Layer). GDLs gibt es auch zu kaufen, da sie bei einigen Brennstoffzellentypen gebräuchlich sind, aber die Preise dafür sind enorm hoch, so das es sich lohnen könnte, hier etwas eigenes zu entwickeln.
Die Schwierigkeit bei der GDL liegt dabei darin, eine möglichst große Oberfläche zu erzeugen, welche die Bedingungen der sogenannten Drei-Phasen-Zone aufweist. Denn nur in diesem Grenzbereich zwischen fester (Elektrode), flüssiger (Elektrolyt) und gasförmiger (Luftsauerstoff) Phase kann die Sauerstoffreduktion erfolgen. D.h., je größer dieser Bereich ist, desto mehr Strom kann erzeugt werden bzw. desto mehr Milliampere fliessen und desto größer die Kapazität der Batterie in Amperstunden.
Als günstiges und leicht verfügbares Ausgangsmaterial gelangt hier Aktivkohle zum Einsatz, welche eine hohe Oberfläche aufweist.
Zitat aus Wikipedia: ([1])
Aktivkohle besteht überwiegend aus Kohlenstoff (meist > 90 %) mit hochporöser Struktur. Die Poren sind wie bei einem Schwamm untereinander verbunden (offenporig). Die innere Oberfläche beträgt zwischen 300 und 2000 m²/g Kohle, damit entspricht die innere Oberfläche von vier Gramm Aktivkohle ungefähr der Fläche eines Fußballfeldes. Die Dichte von Aktivkohle liegt im Bereich von 200 bis 600 kg/m³.
Die Porengröße und die Porengrößenverteilung teilt man in drei Größenordnungen ein: Mikroporen (< 2 nm), Mesoporen, auch Übergangsporen genannt, (2 bis 50 nm) und Makroporen (> 50 nm).[1]
Die Makroporen sind die Hauptzugangswege für Gase oder Flüssigkeiten in das Innere der Kohlen und haben für die Adsorption praktisch keine nennenswerte Bedeutung. Der überwiegende Anteil der Adsorption erfolgt am Kohlenstoffmaterial an der Oberfläche der Mikroporen. Dieser Bereich ist die wirksame Oberfläche und bestimmt die Adsorptionseigenschaften einer Kohle. Die Größe der inneren Oberfläche im Verhältnis zum Volumen einer Aktivkohle zeigen die nachfolgenden Daten. Bei einem Würfel mit einer Kantenlänge von 1 cm übersteigt die innere Oberfläche die äußere um mehr als den Faktor 10.000.
Das zu lösende Problem besteht nun darin, dass die Aktivkohle aufgrund der hohen Porosität und damit verbundenen Kapillarität sich mit flüssigem Material wie dem Elektrolyten komplett vollsaugt, also sozusagen unter Wasser steht. Damit verringert sich die Drei-Phasen-Zone ausschliesslich auf den Bereich der äussersten Oberfläche und die wertvolle große innere Oberfläche geht verloren.
Der Arbeitsansatz besteht nun darin die Aktivkohle partiell zu hydrophobieren und somit zu versuchen, die Drei-Phasen-Zone zu vergrößern.