Batterien aus Katzengold
Ein alternatives Batteriematerial verspricht „super umweltfreundliche“ Energiespeicher.
Hochleistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien haben ein Problem: Das Lithium wird irgendwann knapp, weil immer mehr Elektroautos und stationäre Speicherbatterien gebaut werden müssen. Nun haben Forscher der Empa und der ETH Zürich eine Alternative entdeckt: die „Katzengold-Batterie“. Sie besteht aus Eisen, Schwefel, Natrium und Magnesium – Elemente, die in beliebig großen Mengen verfügbar sind. Mit kleinem Geld ließen sich damit riesige, stationäre Speicherakkus innerhalb von Gebäuden oder neben Kraftwerken bauen.
Abb: Die Kathode der Katzengold-Batterie besteht aus Pyrit-Nanokristallen. (Bild: Empa)
Die Suche nach preisgünstigen Akkus zur Speicherung von Strom ist ein dringendes Geschäft: Immer mehr unregelmäßig produzierter Ökostrom bringen das herkömmliche Stromnetz an die Belastungsgrenze. So wächst der Bedarf an stationären Zwischenspeichern, die ans „smart grid“ angeschlossen werden können. Auch die Zahl der Elektroautos, die schnell ihre Akkus laden müssen, wird zunehmen. Die bekannten, leistungsfähigen Li-Ionen-Akkus eigenen sich jedoch schlecht als stationäre Zwischenspeicher; dafür sind sie zu teuer und das wertvolle Lithium zu knapp. Eine billige Alternative ist gefragt – ein Akku, der aus preiswerten, massenhaft verfügbaren Zutaten bestehen sollte. Doch Elektrochemie ist eine vertrackte Sache: Nicht alles, was billig ist, gibt einen Akku her.
Maksym Kovalenko und seinen Kollegen im Labor für Dünnfilme und Photovoltaik der Empa gelang nun so etwas wie die Quadratur des Kreises: Kovalenkos Team kombiniert eine Magnesium-Anode mit einem Elektrolyten aus Magnesium- und Natriumionen. Als Kathode dienen Nanokristalle aus Pyrit – landläufig bekannt als Katzengold. Pyrit ist kristallines Eisensulfid, bestehend aus Eisen und Schwefel. Die Natrium-Ionen aus dem Elektrolyten wandern beim Entladen in die Kathode. Beim Wiederaufladen gibt Pyrit die Natrium-Ionen wieder frei. Diese Natrium-Magnesium-Hybrid-Batterie funktioniert bereits im Labor und vereint verschiedene Vorteile: Das Magnesium der Anode ist weit sicherer als das leicht brennbare Lithium. Und schon der Versuchsakku im Labor überstand 40 Lade- und Entladezyklen, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüßen – ein Ergebnis, das zu weiterer Optimierung des Testsystems förmlich einlädt.
Der größte Vorteil ist jedoch, dass alle Zutaten für diese Art Akku in beliebiger Menge und sehr preisgünstig zur Verfügung stehen: Eisensulfid-Nanokristalle lassen sich zum Beispiel herstellen, indem man metallisches Eisen mit Schwefel in herkömmlichen Kugelmühlen trocken vermahlt. Eisen, Magnesium, Natrium und Schwefel sind die häufigsten chemischen Elemente in der Erdkruste. Ein Kilogramm Magnesium kostet daher weniger als vier Euro und ist damit 15-mal billiger als Lithium. Auch beim Bau der Billig-Akkus lässt sich sparen: Li-Ionen-Akkus brauchen relativ teure Kupferfolien, um den Strom zu sammeln und abzuleiten. Bei der „Katzengold-Batterie“ würde preisgünstige Alufolie genügen.
Die Forscher sehen in ihrer Entwicklung vor allem Potential für große Netzspeicherbatterien. Zwar eigne sich die Katzengold-Batterie nicht für Elektroautos – dafür ist ihre Leistung zu gering. Dort aber, wo es auf Kosten, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit ankommt, sei die Technik im Vorteil. In ihrer vor kurzem veröffentlichten Publikation schlagen die Empa-Forscher Batteriespeicher mit einer Kapazität von Terawattstunden vor. In einem solchen Akku ließe sich beispielsweise die Jahresproduktion des Schweizer Atomkraftwerks Leibstadt zwischenspeichern. „Noch ist das volle Potential der Batterie nicht ausgeschöpft“, sagt Kovalenko. „Mit Hilfe weiterentwickelter Elektrolyten lässt sich die elektrische Spannung und die Lebensdauer der Natrium-Magnesium Hybrid-Zelle mit Sicherheit noch erhöhen.“ Er fügt hinzu: „Nun suchen wir nach Investoren, die unsere Forschung auf dem Weg ins Nach-Lithium-Zeitalter unterstützen und solch zukunftsweisende Technologie auf den Markt bringen wollen.
Empa / SK
