Neue Elektrolyte für Calciumbatterien

Erst effiziente, große und kostengünstige Energie­speicher eröffnen die Möglichkeit einer flächen­deckenden Umstellung auf emissions­freie Mobilität und Strom­versorgung. Doch die heute dominierende Lithium-Ionen-Tech­nologie kann diese Aufgabe in globalem Maßstab nicht erfüllen, sagt Maximilian Fichtner, Direktor der Forschungs­plattform CELEST – Center for Electrochemical Energy Storage in Ulm und Karlsruhe, welche Calcium­batterien und weitere Speicher­technologien erforscht. „Lithium-Ionen-Batterien kommen von ihrer Performance und manchen darin verwendeten Rohstoffen mittelfristig an ihre Grenzen und könnten dann nicht überall dort eingesetzt werden, wo in Rahmen der Energiewende Energie­speicher sinnvoll wären. Wir verfügen nur über begrenzte Vorkommen von Rohstoffen wie Kobalt, Nickel und Lithium, die für die Herstellung notwendig sind.“ Stattdessen setzen er und sein Team, das am vom Karlsruher Insitute für Technologie KIT in Kooperation mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Institut Ulm HIU angesiedelt ist, auf alternative Batterie­technologien. Diese basieren auf Rohstoffen, die auf der Erde viel häufiger vorkommen. Das Element Calcium hält er dabei für einen vielver­sprechenden Kandidaten, da Calcium etwa im Gegensatz zu Lithium zwei Elektronen pro Atom ab- und aufnehmen kann und weil es eine ähnliche Spannung liefert wie Lithium: „Calcium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste. Es ist gleichmäßig auf der Erde verfügbar und bietet den Vorteil sicher, ungiftig und kosten­günstig zu sein.“

Doch bei der Entwicklungs­arbeit zur Calciumbatterie gab es bislang eine große Hürde: Im Gegensatz zur etablierten Lithium-Ionen- oder auch der neueren Natrium- oder der Magnesium-Tech­nologie existierten bislang keine praktikablen Elektrolyte, um wieder­aufladbare Calcium­batterien herzu­stellen. „Erst seit wenigen Jahren existieren überhaupt experi­mentelle Elektrolyte und damit Prototypen der Calcium­batterie“, erklären Zhenyou Li und Zhirong Zhao-Karger, die beide im Exzellenzcluster POLiS – Post Lithium Storage Cluster of Excellence – arbeiten, das die Calcium­batterie im Rahmen von CELEST weiter­entwickelt. „Diese ermöglichen einen Ladevorgang aber erst bei Temperaturen jenseits der 75 Grad Celsius und sind dabei noch anfällig für unerwünschte Neben­reaktionen.“

Nun gelang es den Forschern, eine Klasse neuer Elektrolyte auf Basis spezieller, organischer Calcium­salze zu synthetisieren, mit denen Ladevorgänge auch bei Zimmer­temperatur möglich sind. Am Beispiel des neuen Elektrolyts Calciumtetrakis­[hexafluoro­isopropyloxy]borat konnten die Forscher nun nachweisen, dass Calcium­batterien mit hoher Energiedichte, Speicherkapazität und Schnell­ladefähigkeit möglich sind. 

Die neue Elektrolyt­klasse schafft nun eine wichtige Grundlage, um Calcium­batterien aus dem Labor in die Anwendung zu führen. In Elektroautos, mobilen Elektronikgeräten und stationären Netz­speichern könnten sie eines Tages die bislang dominierende Lithium-Ionen-Batterie ersetzen. Allerdings könnte das noch eine Weile dauern: „Die neuen Elektrolyte sind ein erster wichtiger Schritt“, betont Fichtner. „Bis zur marktreifen Calcium­batterie haben wir noch einen weiten Weg vor uns.“

KIT / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Z. Li et al.: Towards stable and efficient electrolytes for room-temperature rechargeable calcium batteries, Energy Environ. Sci., Vorabveröffentlichung 2019; DOI: 10.1039/C9EE01699F
• Helmholtz-Institut Ulm (HIU)
• Center for Electrochemical Energy Storag CELEST, Ulm & Karlsruhe