Neues Batteriedesign 06.10.2023, 07:00 Uhr

Mögliche Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus gefunden

Gerade in tragbaren elektronischen Geräten sind flexible Akkus von Vorteil. Sie bestehen dann aus einem weichen Hydrogel. Das hat allerdings auch einen Nachteil, den eine Forschergruppe aus China eingehend untersucht und durch ein bekanntes Verfahren aus der Natur nun beheben konnte.

Die verschiedenen Hydrogele mit und ohne Methylierung.

Die rechte Seite des Bildes zeigt das Hydrogel nach der Methylierung, das sich besser für den Einsatz in Natrium-Ionen-Akkus eignet.

Foto: Wiley-VCH

Sie gelten als die Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus: Natrium-Ionen-Akkus. Sie enthalten in der Regel ein weiches, wasser- und salzhaltiges Hydrogel. Damit sind sie zwar günstiger und umweltfreundlicher als Lithium-Ionen-Akkus, und auch biegsamer, dünner und flexibler, allerdings haben sie den Nachteil, dass sie weniger Stabilität bieten. Genau damit hat sich ein Forscherteam aus China nun eingehend beschäftigt und nach eigenen Einschätzungen eine adäquate Lösung gefunden.

Die Hydrogele, die sich in den Natrium-Ionen-Akkus befinden, sind durchaus praktisch. Die Materialien sind besonders wasserhaltig und können gelöste Natriumsalze sehr gut aufnehmen. Darüber hinaus sind sie ionenleitfähig. Das alles sorgt dafür, dass sie sich für viele Anwendungen optimal eignen. Hinzu kommt aber eine Schwierigkeit, welche die Hydrogele verursachen: Sie ermöglichen es den gelösten Salzen, sich von dem Gel zu trennen. Die Forschenden bezeichnen dies als Aussalzen. Je mehr der Salze sich allerdings lösen, desto mehr sinkt die Effizienz der Akkus. Denn die Salze müssen in möglichst hoher Konzentration enthalten sein, nur dann kann das gewünschte breite elektrochemische stabile Spannungsfenster entstehen.

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Alternative zu Lithium-Ionen-Akku: methyliertes Hydrogel ist der Schlüssel

An dieser Stelle setzte die Forschungsgruppe an und nahm sich dabei die Natur zum Vorbild: Mit der sogenannten Methylierung des Elektrolyten, also in dem Fall der Natrium-Ionen-Akkus das Hydrogel. Dieses Verfahren ermöglicht es, das Hydrogel so zu verändern, dass es mehr Salz aufnehmen kann und dabei stabil und sicher bleibt. Die Methylierung ist ein durchaus bekanntes Verfahren – unter anderem auch aus der Natur. Hier beeinflusst es die Bildung von Salzen und auch die Verbindung großer Biomoleküle. Konkret werden bei der Methylierung Amin- und Amidgruppen von Proteinen wie verkapselt. Das Ergebnis: Die Proteine können schlechter Wasser aufnehmen, was zugleich auch die sogenannte Quervernetzung einschränkt. Gleichzeitig entsteht dabei der Effekt, dass Salzionen viel besser gelöst werden können.

Da sich in Hydrogelen, die zu großen Teilen aus Polymeren bestehen, ebenso wie in Proteinen diese Amidgruppen befinden, waren sich die Forschenden sicher, mit der Methode der Methylierung den gewünschten Erfolg zu erzielen. Sie vergleichen deshalb ein Hydrogel aus einem herkömmlichen Polyamid mit einem Hydrogel aus einem Polyamid, bei dem sie die Amidgruppen bereits dem beschriebenen Verfahren unterzogen hatten. Das Ergebnis bestätigte die Vermutungen der Forschenden: Das Hydrogel mit methylierten Amidgruppen war in der Lage, viel mehr Salz aufzunehmen. Zugleich zeigte sich das Hydrogel-Elektrolyt dabei transparent und stabil.

Breite Einsatzgebiete denkbar für Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus

Der nun hohe Salzgehalt brachte die gewünschte Wirkung und der elektrochemisch nutzbare Spannungsbereich konnte erweitert werden. Darüber hinaus entdeckten die Forschenden keinerlei Auflösungserscheinungen an den Elektroden. Insgesamt habe die Batteriezelle damit eine höhere Kapazität erreicht als die Zelle, die nicht methyliert wurde. Mit diesen Entdeckungen gehen die Forschenden des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, CAS (China), davon aus, dass ihr Verfahren der Polyamid-Methylierung nicht nur geeignet sein könnte, um Hydrogele für die Batterie-Produktion zu verbessern. Es sei aus ihrer Sicht denkbar, dass solche Hydrogele, die zum Beispiel unter anderem in der Entwicklung von Medikamenten eine große Rolle spielen, durch dieses Verfahren auch für dieses Einsatzgebiet salzfester und stabiler hergestellt werden könnten.

Akkus spielen in unserem Alltag eine zunehmend wichtigere Rolle. Sei es in Smartphones, Tablets, Haushaltsgeräten, Elektrofahrzeugen und Werkzeugen ermöglichen sie uns Energie zum Mitnehmen. Als Standard gelten hier Lithium-Ionen-Akkus, die besonders leistungsfähig sind. In der Forschung ist man sich einig, dass es bislang keine Technologie gibt, die derart ausgereift, zuverlässig und effizient ist. Dementsprechend rar gestaltet sich auch die Suche nach Alternativen. Interessant dabei ist, dass diese Akkus durchaus verschiedenen Ansprüchen gerecht werden: Während im E-Auto der Akku bei unterschiedlichen Temperaturen viel Strom liefern muss, damit der Motor entsprechend beschleunigt, lautet beim Smartphone das Ziel dagegen: Der Akku soll möglichst lange halten und demnach die Energie langsam und eher gleichmäßig zur Verfügung stellen. Deshalb geht man in der Batterieforschung davon aus, dass es noch einige Zeit dauern wird, bis echte Alternativen Einzug in unseren Alltag halten.

Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat unter anderem für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

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