Die passende Batterietechnologie

Forscher nehmen jedoch auch zahlreiche andere Materialien für Batteriezellen in den Fokus – von Aluminium und Natrium über Magnesium bis hin zu Graphen. Die Mitarbeiter des Clemson Nanomaterials Institute in South Carolina (USA) haben beispielsweise einen Aluminium-Akku entwickelt, der günstiger und zuverlässiger als die Lithium-Ionen-Technologie sein könnte. Mithilfe von Aluminiumfolie und einer Graphen-Anode lässt sich beispielsweise eine Batterie konstruieren, die über eine Energiedichte von 200 Wh/kg verfügt und bis zu 10.000 Ladezyklen überlebt.

Bild 4: Aktuelle Material-Entwicklungen für die Batterieelektroden beinhalten beispielsweise Graphen, eine Kohlenstoff-Modifikation mit zweidimensionaler Struktur in bienenwabenförmiger Anordnung.

Bild 3: Aktuelle Material-Entwicklungen für die Batterieelektroden beinhalten beispielsweise Graphen, eine Kohlenstoff-Modifikation mit zweidimensionaler Struktur in bienenwabenförmiger Anordnung. Adobe Stock Nr.120082561 von hawanafsu

Die Akkuzelle verwendet Graphen als Elektrode (Bild 3), um die elektrische Ladung von Aluminium-Ionen zu speichern, die sich im Elektrolyten befinden. Die richtige Anordnung der Aluminium-Ionen innerhalb des Graphen ist jedoch entscheidend, um eine höhere Akkukapazität zu erreichen und die Batterieleistung zu verbessern.

Im Rahmen der Entwicklung eines wiederaufladbaren Festkörper-Akkus hat Spanien ein Drei-Millionen-Euro-Forschungsprojekt ins Leben gerufen. Auch dieser basiert auf Aluminium. Das Salbage-Projekt (Schwefel-Aluminium-Batterie mit hochentwickelten polymeren Gel-Elektrolyten) verfolgt das Ziel, einen Festkörper-Akku mit einer Energiedichte zu entwickeln, die die heutiger Lithium-Ionen-Zellen um mehr als das Fünffache übersteigen könnte. Der spanische Batteriehersteller Albufera Energy Storage leitet das Projekt und involviert mehrere europäische Unternehmen und Universitäten. Der neue Akku soll eine Energiedichte von 1.000 Wh/kg zu einem relativ niedrigen Preis (etwa 60 Prozent der heutigen Lithium-basierenden Zellen) bieten.

Magnesium ist ebenfalls eine immer beliebtere Wahl für Akkutechnologie. Forscher an der University of Houston haben eine Möglichkeit gefunden, Magnesiumbatterien herzustellen, die sicherer sein sollen als die aktuellen Lithium-Ionen-Akkus und über die doppelte Kapazität verfügen. Der Schlüssel ist das Aufweiten einer Kathode aus Titandisulfid, um ganze Magnesiumchlorid-Moleküle einzubringen, statt Energie aufwenden zu müssen, um molekulare Verbindungen aufzubrechen. Auf diese Weise lassen sich Akkus mit einer Kathodenkapazität von 400 mAh/g (im Vergleich zu 100 mAh/g für frühere Magnesiumbatterien) entwickeln – doppelt so viel wie die Kapazität kommerzieller Lithium-Ionen-Akkus (normalerweise 200 mAh/g). Diese Akkus liefern zurzeit jedoch nur eine geringe Spannung von etwa 1 V, während Lithium-basierende Akkus für IoT-Anwendungen 3 bis 4 V liefern.

Natrium ist ein weiteres vielversprechendes Material für Akkus der nächsten Generation. Schweizer Forscher haben den Prototyp eines 3-V-Natrium-Feststoff-Akkus mit einer potenziell höheren Energiedichte als Lithium-Zellen entwickelt. Hierzu ist ein fester ionischen Leiter nötig, der nicht nur unschädlich, sondern auch chemisch und thermisch stabil ist und den Transport des Natriums zwischen der Anode und der Kathode ermöglicht. Die Forscher haben entdeckt, dass eine bestimmte Bor-Verbindung, ein closo-Boran, das freie Zirkulieren der Natrium-Ionen ermöglicht. Da das closo-Boran ein anorganischer Leiter ist, wird das Risiko eliminiert, dass sich die Batterie beim Wiederaufladen entzündet. Die Herausforderung ist hierbei, einen engen Kontakt zwischen den drei Schichten der Batterie herzustellen: der Anode aus festem, metallischem Natrium, der Kathode aus einem Natrium-Chrom-Oxid-Gemisch und dem Elektrolyten, dem closo-Boran.

Auch das Start-up Faradion in Sheffield (UK) möchte eine Natrium-Flüssig-Batterietechnologie für Elektroroller und -autos auf den Markt bringen, und Oxis Energy in Oxford hat Lithium-Schwefel-Zellen für ähnliche Anwendungsbereiche entwickelt.

Prognose

Bild 5: Entwicklungen zu Festkörper-Akkus sollen auch für mehr Sicherheit sorgen und die Brandgefahr senken, die von Flüssigakkus, wie hier bei einem Mobiltelefon, ausgeht.

Bild 4: Entwicklungen zu Festkörper-Akkus sollen auch für mehr Sicherheit sorgen und die Brandgefahr senken, die von Flüssigakkus wie hier bei einem Mobiltelefon ausgeht. Adobe Stock Nr.90721503 von weerapat1003

Um bessere Lösungen für IoT- und Elektrofahrzeuganwendungen zu liefern, ist die Entwicklung von Alternativen zu heutigen Lithium-Ionen-Flüssig-Polymerakkus unerlässlich. Erste oberflächenmontierbare Lithium-Festkörper-Akkus und schnell aufladbare Batterieversionen in Elektrofahrzeugen kommen bereits auf den Markt. Lösungen auf Basis alternativer Materialien wie Natrium und Schwefel sind bald marktreif. Und auch vollkommen neue Technologien mit besserer Leistung tauchen am Horizont auf. Sie alle sollen eine höhere Dichte, längere Ladezyklen und schnelleres Aufladen ermöglichen und das Entzündungsrisiko eliminieren (Bild 4), um Systemdesigner in Zukunft mit der nötigen Energie zu versorgen.

 

 

 

Seite 2 von 212