Nicht entflammbar

TU Wien enthüllt neue Sauerstoff-Ionen-Batterie

22.03.2023 10:30

Das Einlagern von Strom-Überschüssen aus Solar- oder Windenergie, um Reserven dann abzurufen, wenn sie benötigt werden, ist einer der Schlüssel für die Energiewende. Da Lithium-Ionen-Batterien mit der Zeit Speicherleistung verlieren, sucht man nach Alternativen. Forscher aus Wien und Spanien können nun mit einer solchen aufwarten.

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Neben dem Leistungsverlust über viele Auf- und Entladungsvorgänge hinweg sind es vor allem die raren, teuren, vielfach toxischen und oft unter katastrophalen Arbeitsbedingungen abgebauten Materialien, die zum Bau von Lithium-Ionen-Batterien benötigt werden und die Technologie in einem ungünstigen Licht erscheinen lassen. So wird Kobalt, Nickel oder Mangan, das in den etwa massenweise in Elektroautos eingesetzten Batterien enthalten ist, oft unter fragwürdigen Umständen abgebaut.

Auch braucht es viel Energie, um so einen Akku zu produzieren. Überdies gestaltet sich das Recycling als schwierig. Eine zusätzliche Gefahr bei Lithium-Ionen-Akkus ist, dass durch Beschädigung, Überladen oder Überhitzen des Akkus Zellen Risse bekommen können. Dann kann es sehr schnell zu Bränden kommen. Weltweit sind daher viele Wissenschafter auf der Suche nach anderen Batterie-Konzepten.

Ein solches legte nun ein Team um Alexander Schmid und Jürgen Fleig vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der Technischen Universität Wien in Kooperation mit dem Catalonia Institute for Energy Research in Barcelona vor. Mittlerweile wurde die Technologie zum Patent angemeldet, heißt es am Mittwoch in einer Aussendung der TU.

Sauerstoff-Ionen-Batterie auf Keramik-Basis
Das Wiener Team arbeitet schon seit geraumer Zeit mit keramischen Materialien im Zusammenhang mit Brennstoffzellen. „Das brachte uns auf die Idee, zu untersuchen, ob solche Materialien vielleicht auch dafür geeignet wären, eine Batterie herzustellen“, so Schmid. Das Prinzip unterscheidet sich dabei kaum von jenem bei Lithium-Ionen-Batterien. Die Keramik-Bauteile können nämlich negativ geladene Sauerstoff-Ionen aufnehmen und wieder abgeben. Wird an dem Aufbau elektrische Spannung angelegt, beginnen die Ionen von einem keramischen Material zum anderen zu wandern. Die Batterie lädt sich auf. Beim Entladen lässt man die geladenen Sauerstoff-Atome wieder zurückwandern und greift die gespeicherte Energie in Form von elektrischem Strom ab.

Während man in vielen Akkus das Problem hat, „dass sich die Ladungsträger irgendwann nicht mehr bewegen können“ und damit die Leistung stark absinkt, drohe dieses Szenario laut Schmid bei der Sauerstoff-Ionen-Batterie nicht annähernd in vergleichbarem Ausmaß. Wenn nämlich im Betrieb Sauerstoff abhandenkommt, kann er einfach aus der Umgebungsluft geholt werden und die Batterie regeneriert sich.

Feuer ausgeschlossen
Durch die Verwendung der nicht brennbaren Keramik-Materialien seien Feuer ausgeschlossen, erklärte Fleig. Auch in Bezug auf die Umweltfreundlichkeit gebe es entscheidende Vorteile: In den Teilen könne man relativ einfach bestimmte Stoffe, die rar, teuer oder giftig sind, durch andere ersetzen. Im Prototyp verwenden die Forscher zwar noch das eher seltene Lanthan, es gibt aber bereits Überlegungen, dieses Element durch günstigere Alternativen zu ersetzen. Kobalt oder Nickel brauche es in dem Konzept jedenfalls nicht, so die Wissenschafter.

Viel Potenzial bei Großanlagen
Allerdings hat die Entwicklung einen Haken: Man kann damit nur rund ein Drittel der Energie einlagern, die eine Lithium-Ionen-Batterie gleicher Größe im Schnitt speichert. Das mache die Sauerstoff-Ionen-Batterie zu keinem vielversprechenden Kandidaten als Energielieferant für kleine Geräte wie Smartphones. Allerdings sehen die Forscher viel Potenzial bei Großanlagen, wo so und so große Module zum Energiespeichern gebraucht werden.

Das ist etwa dort der Fall, wo überschüssige Energie zwischengeparkt werden muss, die etwa in Windparks in der Nacht bei viel Wind erzeugt wird, zu der Zeit aber nicht unmittelbar gebaucht wird. „Wenn man ohnehin ein ganzes Gebäude mit Energiespeicher-Modulen errichtet, spielt die geringere Energiedichte keine entscheidende Rolle“, so Schmid.