Sekundärbatterien für die Elektromobilität 08.03.2019, 13:52 Uhr

Metall-Luft-Batterien sollen für große Reichweiten sorgen

1.000 Kilometer und mehr sind drin, wenn die Akkus ausgereift sind. Das kann allerdings noch lange dauern. Die Lebensdauer ist bei weitem zu kurz.

Elektroauto steht an einer Ladesäule. Symbolbild für Metall-Luft-Batterien

Foto: panthermedia.net/kasto

Während Forscher in Deutschland vor allem daran arbeiten, die Magnesium-Luft-Batterie für den mobilen Einsatz, also als Energiespeicher für Elektroautos, fit zu machen, befassen sich Wissenschaftler in aller Welt mit anderen Metall-Luft-Lösungen. Allen sind jedoch drei Dinge gemeinsam: Sie haben eine erheblich größere Kapazität als die heute üblichen Lithium-Ionen-Batterien. Der Rohstoff, aus dem sie hergestellt werden, ist weitaus weiter verbreitet als Lithium. Doch sie sind so kurzlebig, dass sie keine ernst zu nehmende Alternative für derzeit eingesetzte Akkus sind.

Auf der IRES-Konferenz, die vom 12. bis 14. März in Düsseldorf im Rahmen der Messe „Energy Storage“ stattfindet, wird das Thema Sekundärbatterien, wie wiederaufladbare Stromspeicher fachmännisch heißen, eine wichtige Rolle spielen. Zudem präsentieren 30 Aussteller ihre Lösungen.

Akku-Problem: Elektrolyt knabbert an der Elektrode

Forscher am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge/USA haben kürzlich einen Weg gefunden, die Lebensdauer von Aluminium-Luft-Akkus zu verlängern. Sie schützen die Metallelektrode, die normalerweise vom Elektrolyten angefressen wird bis sie funktionsunfähig ist, mit Öl. Wenn die Batterie nicht gebraucht wird, sorgen die Forscher für einen Austausch des flüssigen Elektrolyten gegen Öl, das die Elektrode schützt. Soll sie Strom spenden, wird wieder der Elektrolyt eingefüllt. Das steigerte die Lebensdauer auf immerhin 24 Tage. Doch es ist unsicher, ob sich eine so komplizierte Lösung durchsetzen kann.

Israel: Alu-Batterie lässt sich nicht wieder aufladen

Das israelische Unternehmen Phinergy, über das wir 2014 berichteten, ist schon weiter – nach eigener Auffassung jedenfalls. Die Lebensdauer ist allerdings auch dort noch nicht befriedigend. Außerdem kann deren Aluminium-Luft-Batterie nicht wieder aufgeladen werden. Wenn sie leer ist, muss sie ausgetauscht werden. Alt-Batterien lassen sich allerdings vollständig recyceln. Das gilt auch für Zink-Luft-Batterien, die schon seit längerem im Handel sind. Sie werden ausschließlich zur Versorgung von Hörgeräten genutzt. Größere Exemplare gibt es noch nicht.

Die israelischen Industrieforscher sind selbst noch nicht zufrieden mit ihrem Produkt. Aus diesem Grund schlossen sie vor rund zwei Jahren einen Vertrag mit der Indian Oil Corporation. Ziel ist die Entwicklung einer langlebigen Batterie für den Einsatz in Fahrzeugen und für den stationären Betrieb.

Eisen-Luft-Akku könnte die Lösung sein

Zu den aussichtsreichsten Kandidaten zählt die Eisen-Luft-Batterie, die in Deutschland parallel zur Magnesium-Luft-Batterie entwickelt wird. Sie ist die wohl günstigste Lösung, denn kein anderes Metall ist auf der Erde so häufig wie Eisen. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich arbeiten bei der Entwicklung mit Kollegen vom Oak Ridge National Laboratory in den USA zusammen. Ablagerungen aus Eisenhydroxid an der Metall-Elektrode verkürzen bei diesem Typ die Lebensdauer. Wie diese entstehen, konnten die Forscher bei einem Aufenthalt bei den US-Kollegen mit Hilfe eines speziellen Mikroskops beobachten.

Metall-Luft-Batterien basieren auf Oxidation und Reduktion. Bei der Stromentnahme rostet das Eisen, weil es mit dem Sauerstoff der Luft reagiert. Bei der Ladung der Batterie wird dieser Prozess umgekehrt. Die Sauerstoffatome ziehen sich von der Elektrodenoberfläche zurück. Die Eisenhydroxid-Schicht bleibt jedoch. Sie ist nicht schädlich, im Gegenteil. Sie erhöht die Kapazität des Akkus. Weil dieser Batterietyp mit einer internen Elektrode auskommt – normalerweise sind es zwei –, lässt er sich kompakter bauen. Das bedeutet, dass pro Volumeneinheit mehr Energie gespeichert werden kann als bei anderen Bauweisen.

Forscher aus Japan und den USA versuchen es mit Natrium-Akkus

An der Lebensdauer von Eisen-Luft-Batterien im realen Betrieb ändern diese Erkenntnisse jedoch nichts. Während sie unter Laborbedingungen schon 1.000 und mehr Lade- und Entladezyklen überstehen, schaffen sie bei Feldversuchen allenfalls 30. Attraktiv sind daher auch Lithium-Metall-Batterien, die zehnmal mehr Energie speichern können als Lithium-Ionen-Batterien. Abgesehen davon, dass auch hier die Lebensdauer nicht ausreicht: Sie benötigt das relativ seltene Element Lithium.

Forscher am Georgia Institute of Technology in Atlanta sowie Wissenschaftler des Nagoya Institute of Technologie versuchen es stattdessen mit Natrium, das um ein Vielfaches häufiger und entsprechend günstiger ist. Wie die Kollegen in aller Welt kämpfen auch diese Forscher mit der Kurzlebigkeit. Doch ebenso wie alle anderen Metall-Luft-Protagonisten spornt sie die Aussicht an, Elektroautos so viel Energie zu spendieren, dass sie 1.000 oder noch mehr Kilometer ohne Nachladen schaffen. Dabei dürfen die Batterien – Anforderung Nummer 2 – jedoch nicht übermäßig viel Platz einnehmen.

Mehr zu Natrium als Alternative zu Lithium

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