Wiederaufladbare Batterie auf Kalzium-Basis

Pro Lithiumion gelangt ein Elektron in den Stromkreislauf eines Akkus. Kleinere und kompaktere Stromspeicher könnten mit mehrfach positiv geladenen Metallionen möglich werden. Nach ersten Prototypen auf der Basis von Magnesium und Aluminium gelang es nun einer internationalen Forschergruppe erstmals, eine wiederaufladbare Batterie mit einer Kalzium-Elektrode und doppelt positiv geladenen Kalziumionen zu verwirklichen.

Rosa Palacín und ihre Kollegen vom Institut de Ciència de Materials de Barcelona in Bellaterra sind sich bewusst, dass der technologische Vorsprung von Lithiumionen-Akkus kaum aufholbar ist. Dennoch könnten in Zukunft Batteriesysteme mit leichter verfügbaren und damit auch günstigeren Materialien interessant werden. „Wir sind davon überzeugt, dass diese Technologie mit günstigem und in großen Mengen verfügbarem Kalzium eine Zukunft haben wird“, sagt Rosa Palacín. Bisher scheiterten Kalziumakkus allerdings an einer dünnen Passivierungsschicht auf der negativen Elektrode, durch die die Kalziumionen blockiert wurden und so nicht zwischen flüssigem Elektrolyt und Elektrode wandern konnten.

Mit einer speziellen Elektrolyt­mischung aus Ethylen- und Propylen­karbonat jedoch gelang es Palacín und Kollegen, dieses Problem zu lösen. In der Elektrolyt-Flüssigkeit lösten sie verschiedene Kalziumsalze wie Kalzium­chlorat oder Kalzium­tetra­fluoro­borat. Letzteres lieferte bei einer für praktische Anwendungen noch zu hohen Akkutemperatur von 100 Grad Celsius die bisher besten Ergebnisse. Über dreißig Ladezyklen lang konnten sich die Kalziumionen auf der negativen Elektrode absetzen, winzige Nano­teilchen aus metallischem Kalzium bilden und wieder in den Elektrolyten zurück wandern.

Zusammensetzung und Struktur des deponierten Kalziums untersuchten die Akkuforscher mit einem Raster­elektronen­mikroskop und mit Röntgenstrahlung (Röntgenbeugung und EDX – Energie­dispersive Röntgen­analyse). Das Ergebnis: Kalziumkristalle von etwa 15 Nanometer Durchmesser lagerten sich nach mehreren Ladezyklen auf der Anode ab und konnten auch wieder in Lösung gehen. Auch Kalziumfluorid-Partikel bildeten sich auf der Elektrode. Diese Substanz findet sich auch in den bisher störenden Passivierungsschichten. Doch konnten sie in diesem Prototyp die Beweglichkeit der Kalziumionen nur wenig einschränken.

Dieser erste Prototyp belegt, dass auch Kalzium prinzipiell für die Entwicklung von Akkus geeignet ist. Wichtige Spezifikationen wie Speicherkapazität oder Ladedauer konnten Palacín und Kollegen allerdings noch nicht angeben. Dafür sei die Entwicklung noch nicht weit genug gereift. Doch weitere Experimente, auch möglich in Zusammen­arbeit mit dem an dieser Studie bereits beteiligten Wissenschaftlern vom Forschungs­zentrum von Toyota Motor Europe im belgischen Zaventem, sind vorgesehen, um das Potenzial von günstigen Kalzium­akkus weiter auszuloten. Ob dieser Akkutyp in Zukunft in eine ernsthafte Konkurrenz zu Lithiumionen-Systemen treten könnte, lässt sich bei dem aktuellen Entwicklungs­stand allerdings nicht beurteilen.

Jan Oliver Löfken

DE