12. Okt 2017

Kish-Graphit ist ein Abfallprodukt aus der Stahlproduktion. Es könnte die Grundlage sein für preisgünstige, aufladbaren Batterien aus gut verfügbaren Rohstoffen - ein Ersatz für den Lithium-Ionen-Akku von heute. Bild: Empa / ETH Zürich

Kostiantyn Kravchyk erklärt das Prinzip von Abfall-Graphit: Die Graphitschichten-Kanten sehen aus wie ein Bündel Papier, so dass die Ionen hinein schlüpfen. Bei einem „zerknitterten“, weil fein vermahlenen Graphit geht das nicht so gut. Bild: Empa

Empa: Preisgünstige Batterien aus Abfall-Graphit

(Empa) Lithium-Ionen-Akkus sind brennbar, und der Preis für den Rohstoff steigt. Gibt es Alternativen? Ja:  Forscher der Empa und der ETH haben vielversprechende Ansätze entdeckt, wie man Batterien aus Abfall-Graphit und Schrott-Metallen herstellen könnte.


Kostiantyn Kravchyk arbeitet in Forschungsgruppe von Maksym Kovalenko, die zugleich an der ETH Zürich und im Empa-Labor für Dünnfilme und Fotovoltaik beheimatet ist. Sein ehrgeiziges Ziel ist es, einen Akku aus den am häufigsten vorkommenden Elementen der Erdkruste zu machen – zum Beispiel Magnesium oder Aluminium. Diese Metalle bieten eine hohe Sicherheit selbst dann, wenn die Anode aus reinem Metall besteht – was bei einer Lithium-Ionen-Batterie viel zu gefährlich wäre. Diese zusätzliche Sicherheitsmarge bietet wiederum die Chance, die Batterien auf eine sehr einfache, preiswerte Art zusammenzubauen und die Produktion schnell hochzuskalieren.
«Kühlen Schmelze»
Um eine solche Batterie zum Laufen zu bringen, muss die Elektrolytflüssigkeit aus speziellen Ionen bestehen, die bei Raumtemperatur nicht kristallisieren – also eine Art Schmelze bilden. In dieser «kühlen Schmelze» wandern die Metallionen, umrahmt von einer dicken Hülle aus Chloridionen, zwischen Kathode und Anode hin und her. Alternativ dazu könnten grosse Anionen aus organischen Chemikalien benutzt werden. Das bringt aber ein Problem mit sich: Wo sollen diese «dicken» Ionen hin, wenn die Batterie geladen wird? Zum Vergleich: Beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Kathode aus einem Metalloxid, das die kleinen Lithium-Ionen während des Ladevorgangs aufnehmen kann. Das funktioniert bei solch grossen Ionen nicht. Ausserdem sind die Ionen, um die es hier geht, negativ geladen, genau anders herum wie die Lithium-Ionen.

Die umgedrehte Batterie
Kovalenkos Team löste das Problem mit einem Trick: Die Forscher stellten das Prinzip des Lithium-Ionen-Akkus auf den Kopf. Während im Lithium-Ionen-Akku die Anode (der Minuspol) aus Graphit besteht, wird bei Kovalenkos Batterie der Gaphit als die Kathode (Pluspol) eingesetzt. In den Zwischenräumen lagern sich die dicken Anionen ein. Die Anode (der Minuspol) ist bei Kovalenkos Batterie dagegen aus Metall.

Eine bemerkenswerte Entdeckung machte Kostiantyn Kravchyk auf der Suche nach dem «richtigen» Graphit: Er fand heraus, dass Abfall-Graphit, der bei der Stahlherstellung anfällt, so genannter «Kish-Graphit», sehr gut als Kathodenmaterial funktionieren. Auch natürlicher Graphit geht gut – wenn er in groben «Flakes» geliefert wird und nicht allzu fein vermahlen ist. Der Grund: Die Graphitschichten liegen an den Bruchkanten offen, und die dicken Metall-Chlorid-Ionen können leichter in die Struktur hineinschlüpfen. Dagegen eignet sich der fein vermahlene Graphit, der üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommt, für Kovalenkos Batterie kaum: Durch das Vermahlen der Graphitpartikel werden die Schichten geknickt wie in einer zerknüllten Papierkugel. In diesen geknüllten Graphit können nur kleine Lithium-Ionen eindringen, die dicken Anionen der neuen Batterie dagegen nicht.

Extrem langlebig
Die Graphit-Kathoden-Batterie, gebaut aus Abfallstoffen der Stahlherstellung oder aus rohen, natürlichen Graphit-Flakes, hat also das Potenzial, wirklich preisgünstig zu sein. Langlebig ist sie auch – darauf weisen jedenfalls erste Experimente hin. Über mehrere Monate überstand ein Laborsystem tausende von Lade- und Entladezyklen. «Die Aluminiumchlorid-Graphit-Batterie könnte bei einem täglichen Einsatz in einem Haus jahrzehntelang halten», meint Kravchyk.

Text: Rainer Klose, Empa

1 Kommentare
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Solarfan @ 14. Okt 2017 10:48

Nur eine günstige, dezentrale Speicherung des unregelmässig anfallenden Sonnen- und Windstromes bringt die Energiewende voran.
Erstaunlich, was die Empa-Forschung immer wieder hervorbringt.
Vor bald zwei Jahren wurde die "Katzengold"-Batterie vorgestellt. Auch sie versprach mit günstigen Materialien riesige Speicherkapazität: https://www.empa.ch/web/s604/fool-s-gold-battery
Was aber ist aus der grossen Ankündigung geworden? Ich habe nie mehr etwas davon gehört. Bleibt es bei der Abfall-Grafitbatterie auch wieder bei der Ankündigung?
Wenn nichts daraus wird, sind solche Ankündigungen eher negativ. Die Leute machen sich Hoffnungen auf eine neue Technik und halten sich mit Investitionen zurück. So kommen wir aber nicht weiter.
Grosse Ankündigungen sollten erst erfolgen, wenn eine Technik kurz vor der Einführung ist.

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