Welche Batterietechnologie macht das Rennen? Hier eine Luft-Zink-Batterie der FH Münster: Die blauen Kästen sind die Zellen, im Gefäss links befindet sich das Elektrolyt, das durch die Schläuche weitergeleitet wird. Bild: FH Münster

Forschung: Atmende Batterien sind günstig, umweltfreundlich und versprechen hohe Reichweiten

(AN) Für die Elektromobilität und als stationäre Zwischenspeicher ist der Lithium-Ionen-Akku das Mass aller Dinge. Dass dies so bleibt, ist allerdings unwahrscheinlich. Hoch im Kurs steht bei Wissenschaftlern die Festkörperbatterie. Sie verspricht eine höhere Energiedichte und damit mehr Reichweite für Elektroautos, explodiert nicht, lädt schneller und soll auch noch kostengünstiger sein.


Die Forschungen laufen auf Hochtouren und das Interesse der Autoindustrie ist gross. Wann sie für Elektroautos auf den Markt kommt, ist bisher ungewiss. Das US-Startup Fisker will sie im kommenden Jahr erproben. Beim Busantrieb prescht die Daimler-Sparte Mercedes-Benz vor, die ab 2020 ihre ersten E-Busse mit einer Festkörperbatterie nach Wiesbaden ausliefern.

Kalium-Luft-Batterien made in US
Eine günstige Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus könnten auch Kalium-Luft-Batterien sein, die seit Jahren von einem Forscherteam aus dem Bundesstaat Ohio unter Leitung von Chemieprofessor Yiying Wu erforscht werden. Der bereits 2013 erfundene Akku-Typ kann nicht nur mindestens doppelt so viel Strom speichern wie Lithium-Ionen-Akkus, sie sind auch wesentlich günstiger. Die amerikanischen Wissenschaftler rechnen mit Kosten von 44 Dollar pro Kilowattstunde Speicherkapazität – Lithium-Ionen-Akkus lagen im vergangenen Jahr zwischen 150 und 200 Dollar pro Kilowattstunde.

Metall-Luft-Batterien
Metall-Luft-Batterien zählen zu den leichtesten und kompaktesten Batterietypen und werden schon als Nachfolger von Lithium-Ionen-Batterien gehandelt, die in der Entwicklung vermutlich ihren Zenit erreicht haben. Bei der „atmenden“ Batterie reagiert das Metall mit Sauerstoff und setzt dabei Energie frei. Das Metall befindet sich in der Zelle, der Sauerstoff wird aus der Umgebungsluft gewonnen und gelangt durch die durchlässige Elektrode hinein. Die Batterien haben jedoch einen immensen Nachteil. Der Sauerstoff soll beim Ladevorgang zwar mit dem Ladungsträger oxidieren, aber nicht mit dem Kohlenstoff in der Anode reagieren. Das ist bisher aber nicht geglückt. Sauerstoff drang immer wieder in die Anode der Batterie ein und nach spätestens zehn Lade- und Entladezyklen war der Akku unbrauchbar.

Herausforderung Sauerstoff
Den Geistesblitz zur Lösung hatte Doktorand Paul Gilmore. Er verwendete Polymere, um die Anode vor der für sie zerstörerischen Luft zu schützen. Die Herausforderung sei, so Gilmore, Sauerstoff in die Batterie zu bringen, ohne dass er zur Anode gelangt. Bei dem von ihm entwickelten System gelangt Luft durch eine faserige Kohlenstoffschicht in die Batterie, trifft dann auf eine zweite Schicht, die etwas weniger porös ist und endet schliesslich bei einer dritten Schicht, die kaum noch porös ist. Entstanden ist so eine Art Filtersystem, das Kalium zur Kathode durchlässt, den Sauerstoffmolekülen aber den Weg versperrt. Das Ergebnis: Die Ladezyklen wurden auf 125 und die Lebensdauer damit um das Zwölffache erhöht. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Batteries and Supercaps“.

Kalium-Luft-Batterie der Schlüssel
Auch wenn es bisher nur Prototypen sind, hat aus Sicht von Vishnu-Baba Sundaresan, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Ohio State dieser Akku-Typ damit bewiesen, dass er konkurrenzfähig sein wird. Grösstes Potential sieht er als kostengünstiger stationärer Speicher für Strom aus Wind und Sonne. Für ihn sind Technologien wie die Kalium-Luft-Batterie der Schlüssel, weil sie billig ist und keine exotischen Materialien wie Kobalt verwendet, das auch als neuer Blutdiamant bezeichnet wird und zudem noch giftig ist. Aufgrund der höheren Energiedichte von Sauerstoffbatterien könnten sie auch die Reichweitenproblematik von Elektroautos lösen und die Batterielebensdauer von tragbaren Elektronikgeräten verbessern. Dafür, so Gilmore, seien aber noch weitere Forschungen notwendig.

Comeback der Eisen-Luft-Batterie
Ein Comeback feiert die Eisen-Luft-Batterie. Das Konzept ist bereits seit den 1970er Jahren bekannt, jedoch ein wenig in Vergessenheit geraten. Dabei hat sie einiges zu bieten: Eisen ist wesentlich günstiger als Lithium und sie kann mit einer dreimal höheren Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien punkten. Weltweit versuchen eine Handvoll Institute, der Eisen-Luft-Batterie zum Durchbruch zu verhelfen. Forschungszentrum Jülich (FZJ) zählt dabei zu den treibenden Kräften. Von einer Marktreife ist der Akku nach Einschätzung von Institutsleiter Rüdiger Eichel allerdings noch mindestens 10 Jahre entfernt.

Mit Zink und Luft
Ein Energiespeicher der mit Zink und Luft funktioniert, haben Forscher der Fachhochschule Münster mit EMG Automation und Energy Environment Economics 3e entwickelt. „Einer der Vorteile ist, dass Zink weltweit sehr verbreitet ist und sogar in Deutschland in der Erdkruste vorkommt“, so Professor Dr. Peter Glösekötter vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik. Edelmetalle und seltene Erden, die in vielen gängigen Energiespeichern verbaut sind, sind überflüssig. Zudem seien die Zellen zu 98 Prozent recyclingfähig. Und auch sie sind wie die anderen Luft-Alternativen günstig. „An Materialkosten fallen ungefähr 2 Euro pro Zelle an – davon benötigen wir zehn, um eine Kilowattstunde zu speichern“, rechnet der wissenschaftliche Mitarbeiter Andre Löchte vor. Vorerst ist dies nur ein Demonstrator. Wissenschaftler und Unternehmen sehen jedoch Potential in diesem Akkutyp und wollen jetzt zusammen die Integrationsdichte des Batteriemanagementsystems und damit auch die des Gesamtsystems erhöhen, damit der Speicher auch kommerziell eingesetzt werden kann.

©Text: Angela Schmid

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