Der Lithium-Ionen-Akku ist der derzeit marktbeherrschende Batterietyp. Doch möglicherweise erfüllen Typen, die momentan technologisch noch nicht so ausgereift sind, manche Anforderungen an mobile und stationäre Speicher besser. Jülicher Wissenschaftler:innen erforschen zahlreiche Kandidaten - drei Beispiele, die helfen könnten, unseren Energiehunger zu stillen.
Die Metall-Luft-Batterie verspricht theoretisch eine hohe Energiedichte, da Sauerstoff aus der Luft verwendet wird. Der Batterietyp wird deswegen leichter und es bleibt mehr Platz für die Metallanode, die dadurch größer ausfallen kann. Sie besteht aus Natrium, Eisen, Aluminium oder Zink, auch das Halbmetall Silizium wird dafür verwendet.
„Wir erforschen fast alle Mitglieder der Metall-Luft-Batteriefamilie. Wichtig ist uns, dass die Metalle für die Anode eine hohe Energiedichte aufweisen und die Rohstoffe in großen Mengen verfügbar sowie unbedenklich für Mensch und Umwelt sind“, sagt Dr. Emre Durmus vom Institute of Energy Technologies (IET-1). Noch liefern die Metall-Luft-Batterien allerdings deutlich weniger Energie als erwartet und die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen reicht noch lange nicht für einen kommerziellen Einsatz. Die Forscher:innen arbeiten daran, die grundlegenden Ursachen dafür herauszufinden. „Unter anderem nutzen wir dafür sogenannte In-operando-Techniken, mit denen sich die Batteriekomponenten im Betrieb auf mikroskopischer Ebene beobachten lassen“, erklärt Durmus. „Die komplexen Lade- und Entladevorgänge besser zu verstehen, ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, das theoretisch mögliche Potenzial des Batterietyps nutzbar zu machen.“
Ein Elektrolyt ermöglicht bei Batterien, dass sich Ionen zwischen den zwei Elektroden bewegen. Bei jetzigen Lithium-Ionen-Akkus ist er flüssig. Doch das muss er nicht unbedingt sein. Batterien mit festem Elektrolyt gelten als besonders sicher, denn es kann nichts auslaufen und die Brandgefahr ist äußerst gering. Allerdings wandern Ionen in Feststoffen manchmal langsamer als in Flüssigkeiten.
Jülicher Wissenschaftler:innen arbeiten deshalb daran, die Ionenleitfähigkeit fester Materialien zu verbessern. Außerdem entwickeln sie Baukonzepte, welche die potenziellen Vorteile von Festkörperbatterien voll zur Geltung bringen. So hat beispielsweise ein Team um Dr. Frank Tietz vom Institute of Energy Materials and Devices (IMD-2) einen Weg gefunden, wie Ionen in Natrium-Schwefel-Festkörperbatterien bei Raumtemperatur schnell genug zwischen den Elektroden wandern. Dieser Batterietyp, der schon seit Jahrzehnten bekannt ist, funktioniert bisher erst bei Temperaturen von über 250 Grad Celsius zufriedenstellend. Das schränkt seine Einsatzmöglichkeiten stark ein. Das Team um Frank Tietz hat einen keramischen Elektrolyten hergestellt, der so dünn ist, dass sein flächenspezifischer Widerstand etwa zehnmal kleiner ist als üblich.
Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing vom IMD-2 verbessert keramische Lithium- und Natrium-Batterien, genauer gesagt das Herstellungsverfahren dafür. „Diese Festkörperbatterien sind robust und sicher, allerdings ist die Herstellung mit herkömmlichen Methoden immer noch energieintensiv“, so die Wissenschaftlerin. Zur Herstellung von Zellkomponenten der Batterie wird keramisches Pulver meist stundenlang bei hohen Temperaturen in einem sogenannten Sinterprozess erhitzt, um es zu verdichten und zu verfestigen. „Neben dem hohen Energieverbrauch führt das zu hohen Produktionskosten und unerwünschtem Materialabbau, der die Leistungsfähigkeit der Batterie beeinträchtigt“, sagt Fattakhova-Rohlfing. Daher haben die Forscher:innen in ihrer Abteilung fortschrittliche Verarbeitungs- und Sintertechniken entwickelt, mit denen sich keramische Batterien und Batteriekomponenten bei niedrigeren Temperaturen und in kürzeren Produktionszeiten herstellen lassen. „Das ist entscheidend für die künftige Marktentwicklung dieses Batterietyps“, ist Fattakhova-Rohlfing überzeugt.
Redox-Flow-Systeme nehmen eine Sonderstellung unter den Batterien ein. Sie besitzen zwei Tanks mit je einem flüssigen Elektrolyten, außerdem zwei Reaktionskammern mit je einer Elektrode. Die Kammern sind durch eine Membran getrennt. Bei Bedarf werden die Elektrolytlösungen in zwei getrennten Kreisläufen durch die Reaktionskammern gepumpt, wo sie dann an den Elektroden unter Stromaufnahme oder Stromproduktion Elektronen aufnehmen oder abgeben.
Der Vorteil dieser Bauweise: Um das Speichervermögen von Redox-Flow-Batterien zu steigern, muss man lediglich das Volumen der Tanks vergrößern. Die Redox-Flow-Technologie verspricht somit Kostenvorteile bei großen Speichern. Dieses Versprechen kann sie bisher nicht einlösen, unter anderem weil die Elektrolytlösung im Handel befindlicher Redox-Flow-Systeme auf teuren Vanadiumverbindungen beruht. Ein Team um Mariano Grünebaum am Helmholtz-Institut Münster (IMD-4, HI MS) sucht deshalb nach leicht zugänglichen umweltfreundlichen Elektrolyten. Kürzlich hat es einen digitalen Bauplan veröffentlicht, mit dem jede Forschungsgruppe selbst kleine Redox-Flow-Batterien mittels 3D-Druck herstellen kann. Die Kosten dafür liegen bei 230 Euro – käufliche Redox-Flow-Systeme sind mindestens zehnmal so teuer.
Text: Frank Frick | Fotos: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe-Limbach, Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau; Illustrationen: Jens Neubert
