Silizium-Luft-Batterie läuft länger als 1000 Stunden
Preiswerte Alternative zu Lithiumionen-Systemen zeigt höhere Stabilität.
Silizium-Luft-Batterien gelten als vielversprechende und preiswerte Alternative zur gegenwärtigen Energiespeicher-Technologie. Allerdings erreichten sie bisher nur eine relativ kurze Laufzeit. Eine Arbeitsgruppe am Forschungszentrum Jülich haben nun den Grund dafür herausgefunden und konnten ihre Prototypen verbessern.
Abb.: Testaufbau für die Siliziumbatterie: Die Batterie selbst hat nur die Größe einer Knopfzelle und befindet sich im Hohlzylinder in der Mitte des Plexiglasgehäuses. Die dünnen Kanäle durch das Gehäuse dienen der Zu- und Ableitung der Elektrolytflüssigkeit. (Bild: FZJ)
Silizium-Luft-Batterien haben theoretisch eine weitaus höhere Energiedichte und sind kleiner und leichter als heutige Lithium-Ionen-Akkus. Außerdem sind sie umweltfreundlich und unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Ihr wichtigster Vorteil jedoch ist das Material. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde: Es ist billig und nahezu unbegrenzt verfügbar.
Doch bisher hat die Silizium-Luft-Batterie noch ein paar entscheidende Schönheitsfehler. Nach relativ kurzer Zeit stoppt der Stromfluss. Über die Gründe dafür gab es bis jetzt nur Vermutungen. Bildet sich spontan eine Schutzschicht auf der Siliziumanode, ist der Elektrolyt überhaupt geeignet oder ist es ein Problem mit der Luft-Elektrode? Versuche, das Problem durch Verbesserungen dieser Komponenten zu beheben, erwiesen sich als wenig erfolgreich. Das beste Ergebnis ergab der Einsatz eines speziellen, hochwertigen Elektrolyten auf Basis einer ionischen Flüssigkeit. Der steigerte die Lebensdauer der Batterie auf mehrere hundert Stunden. Das widersprach allerdings der Grundidee, nämlich einer preiswerten Alternative zu den Lithium-Ionen-Batterien.
Die Wissenschaftler des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung vermuteten eine andere Ursache für die kurze Laufzeit – den Verbrauch des Elektrolyten. Sie entwickelten ein Pumpensystem, mit dem die Elektrolytflüssigkeit – in Wasser gelöstes Kaliumhydroxid – von Zeit zu Zeit nachgefüllt wurde. „Bleibt die Siliziumanode in Kontakt mit dem Elektrolyten, läuft die Batterie“, erklärt Hermann Tempel vom Bereich Grundlagen der Elektrochemie. Damit erreichten sie eine Laufzeit von über 1100 Stunden. Wenn danach das Silizium komplett aufgebraucht ist, kann die Batterie durch das Auswechseln der Anode quasi wieder aufgeladen werden.
Nun suchen die Wissenschaftler nach einem Weg, die Batterie am Laufen zu halten, ohne den Elektrolyt nachfüllen zu müssen. „Wir müssen die Selbstentladung der Batterie unterdrücken“, erklärt Tempel. Denn die führt dazu, dass die Elektrolytflüssigkeit verbraucht wird. Additive im Elektrolyt könnten hier helfen. „Die Batterie ist immer noch nicht perfekt, aber jetzt wissen wir, woran wir arbeiten müssen.“
FZJ / JOL
