Forscher entwickeln neue Akkus ohne Lithium

Dübendorf - Viele wiederaufladbare Batterien sind heute Lithiumionen-Akkus. Lithium ist jedoch ein begrenzt verfügbarer Rohstoff. In einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) geförderten Projekt werden Alternativen zur Lithiumionen-Batterie erforscht.

In der Schweiz haben die jüngsten Forschungsarbeiten unter der Leitung von Arndt Remhof von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa belegt, dass Natrium und Magnesium für die Entwicklung neuer, reiner Feststofftechnologien geeignet sind. Sein Team hat Testzellen basierend auf den beiden Metallen entwickelt.

Neues Batteriematerial und neue Festelektrolyte

Die von den Schweizer Wissenschaftlern konzipierten Speicherzellen beinhalten so genannte Festelektrolyte und nicht die bekannten Flüssigelektrolyte. Eine alles andere als einfach Aufgabe, denn die Ionen – ob Lithium, Natrium oder Magnesium – müssen sich in dem festen Umfeld bewegen können. Nur wenn die positiv geladenen Ionen im Akku von einem Pol zum anderen wandern können, ermöglichen sie die Bewegung der negativ geladenen Elektronen und erzeugen somit Strom.

Um die Mobilität der Ionen zu gewährleisten, entwickelten die Forscher feste Elektrolyten, die eine kristalline chemische Struktur aufweisen. Als das Team um Arndt Remhof Lithium durch die Metalle Natrium bzw. Magnesium ersetzte, musste es diese Kristallstruktur komplett überarbeiten sowie auf neue Verbindungen und Herstellungsverfahren zurückgreifen.

Natrium ist billig und als Bestandteil von Kochsalz beliebig verfügbar

Remhof und sein Team entwickelten einen Festelektrolyten, der die Mobilität der Natriumionen bereits ab 20 Grad Celsius gewährleistet. Dieser Aspekt ist von zentraler Bedeutung: Ionen brauchen Wärme, um wandern zu können. Diese Reaktion bereits bei Raumtemperatur auszulösen, ist eine enorme technische Herausforderung. Der Elektrolyt ist zudem nicht brennbar und bleibt bis 300 Grad chemisch stabil, was ihn besonders sicher macht.

Magnesium ist ideal, aber Ionen wandern derzeit erst bei 400 Grad

Das gleiche Team hat auch einen Festelektrolyten für Magnesium entwickelt. Die bisherigen Forschungsprojekte auf diesem Gebiet lassen sich an einer Hand abzählen. Magnesium in Bewegung zu versetzen, ist schwierig, aber umso interessanter: Es ist leicht, in großen Mengen verfügbar und kann nicht explodieren. Was noch wichtiger ist: Magnesiumionen sind zweifach positiv geladen, Lithiumionen dagegen nur einfach. In der Praxis bedeutet das, dass Magnesium bei gleichem Volumen fast die doppelte Energiemenge speichern kann.

Der Magnesium-Elektrolyt der Schweizer Forschenden erreicht eine vergleichbare Leitfähigkeit bereits bei 70 Grad. "Bei dieser Pionierarbeit geht es um den Machbarkeitsnachweis", sagt die Versuchsleiterin Elsa Roedern von der Empa. "Von einem kompletten, funktionstüchtigen Prototypen sind wir noch weit entfernt, aber wir haben einen ersten, wichtigen Schritt in die richtige Richtung gemacht."

Quelle: IWR Online