Der Bedarf an Batteriespeichern für erneuerbare Energien wird in Zukunft massiv steigen. Gäbe es neben den bekannten Lithium-Ionen-Batterien auch umweltschonendere Modelle, um wertvolle Ressourcen zu sparen? Zwei Forscher an der Empa geben nicht auf.

Die Weltwirtschaft verlangt nach immer mehr Lithium-Ionen-Batterien. Elektroautos sind darauf angewiesen, ebenso Laptops, Smartphones und elektrische Werkzeuge für den Baubereich und den Heimwerkersektor. Bald wird ein weiterer Bereich hinzukommen, der im grossen Stil aufladbare Batterien benötigt: die Speicherung von erneuerbaren Energien, die nicht direkt genutzt werden können. Die wachsenden Mengen an temporär verfügbarem Ökostrom können nicht mehr allein in Pumpspeicherkraftwerken gespeichert werden.

Der Bedarf an preisgünstigen, ortsfesten Speicherbatterien wird also kräftig steigen. Sie sollten zudem aus umweltfreundlichen Materialien gebaut sein, um die Weltvorräte an Lithium, Kobalt und anderen teuren Metallen nicht weiter zu belasten. Die Empa- und ETH Zürich-Forscher Kostiantyn Kravchyk und Maksym Kovalenko haben Ergebnisse weltweit studiert und systematisch eigene Versuche angestellt. Ihre Einschätzungen wurden Anfang des Jahres u.a. im Fachblatt «New Journal of Chemistry» veröffentlicht.

Weg vom Lithium – hin zum Natrium?

Eine der einfachsten Ideen wäre es, Lithium durch Natrium zu ersetzen. Es ist alles andere als rar: Natriumchlorid findet sich im Meerwasser und ist überall auf der Welt zugänglich. Doch damit hören die Vorteile schnell einmal auf. Weil ein Natrium-Ion rund 50 Prozent grösser ist also ein Lithium-Ion sind die Materialien an der Kathode elektrochemisch wenig stabil.

Auf Natrium folgt im Periodensystem Magnesium. Magnesium ist günstig und ungiftig. Könnte man daraus Batterien bauen? Auf der Anoden-Seite der Batterie bringt Magnesium in der Tat Vorteile: Man braucht kein Graphit (wie bei Lithium-Ionen-Batterien), sondern kann metallisches Magnesium direkt als Anode einsetzen. Doch die hohe elektrische Ladung auf kleinem Durchmesser führt zu hohen elektrischen Anziehungskräften. So schlüpft das Ion nur mit hohem Kraftaufwand in ein Gitter aus Kobaltoxid, und wenn es dort steckt, ist es nur noch schwer wieder herauszuholen.

Bei Aluminium-Graphit-Batterien genügt für die Anode ein Aluminium-Blech. Doch der Rest einer Aluminium-Batterie funktioniert grundlegend anders als eine Lithium-Ionen-Batterie: Aluminium-Ionen wandern nicht auf direktem Weg zwischen Anode und Kathode hin und her. Vielmehr werden beim Laden Bestandteile der Elektrolytflüssigkeit von beiden Elektroden «verbraucht» (siehe Grafik rechts). Kleines Problem am Rande: Die Graphit-Kathode bläht sich bei jedem Ladevorgang auf mehr als das doppelte ihres ursprünglichen Volumens auf und schrumpft beim Entladen wieder. Gefragt sind flexible Aussenhüllen und Schutzgehäuse mit Raum zum «Atmen». Das Aufblähen und Schrumpfen wirkt sich nachteilig auf die Erschütterungsfestigkeit und die Langzeitstabilität aus.

Eine zusätzliche Herausforderung ist der Lade-Algorithmus für solche Nicht-Lithium-Ionen-Batterien. Die Forschungsgruppe um Kravchyk und Kovalenko fand heraus, dass sich die Leistung einer Aluminium-Graphit-Elektrode durch geschicktes, stufenweises Aufladen um bis zu 25 Prozent steigern liess. Eine internationale Forschergruppe aus Taiwan, China, den USA und Deutschland entdeckte, dass solche Elektroden deutlich leistungsfähiger sind, wenn sie auf –10 Grad Celsius abgekühlt werden. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass für die chemisch völlig andersartigen Batterien ein völlig neues Batteriemanagement, also neue Sensoren, Ladegeräte und -algorithmen entwickelt werden müssten.

Die Forscher betonen, dass keine der vorgestellten Technologien bezüglich Energiedichte mit Lithium-Ionen-Akkus mithalten kann. Sehr wahrscheinlich werde dies auch in Zukunft so bleiben.

Bis zum Durchbruch alternativer Batterien bleibe noch viel zu tun, sagen Kravchyk und Kovalenko. Schliesslich gehe es nicht jeweils nur um die Machbarkeit einer Idee – sondern auch um Kosten und Gesamtgewicht. Ein ganzheitlicher Ansatz sei gefragt. Interessant, dass auch das Schwellen und Schrumpfen des Kathodenmaterials ein durchaus überwindbares Problem ist. Das Team um Kravchyk und Kovalenko will jetzt «halbfeste» Graphit-Elektroden erforschen, die lange halten und gut Strom übertragen.

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