Sauerstoff-Ionen-Batterie auf Keramik-Basis entwickelt
Die TU Wien hat eine vielversprechende neue Batterietechnologie entwickelt: Die Sauerstoff-Ionen-Batterie auf Keramik-Basis. Damit kann vor allem die Energie aus Solar- und Windkraftanlagen eingelagert werden.
Ein Prototyp der Sauerstoff-Ionen-Batterie an der TU Wien.
Foto: TU Wien
Die Speicherung von überschüssiger Energie aus Solarenergie oder Windkraft, um sie später bei Bedarf abzurufen, ist ein wichtiger Faktor für die Energiewende. Da Lithium-Ionen-Batterien im Laufe der Zeit an Speicherkapazität verlieren, wird nach Alternativen gesucht.
Nun haben die Wissenschaftler aus Wien und Spanien eine solche Alternative gefunden – Es handelt sich um eine Sauerstoff-Ionen-Batterie, die auf Basis von Keramik hergestellt wird. Besonders für große Energiespeicher, wie zur Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen, kann die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine gute Lösung sein. Die Idee ist bereits patentiert worden.
Warum Keramik eine gute Lösung ist
Im Gegensatz zu den weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien ist die neue Batterie regenerierbar, was ihre Lebensdauer extrem verlängert. Allerdings weist sie etwas weniger Energiedichte auf. Die Herstellung der Sauerstoff-Ionen-Batterie erfordert keine seltenen Elemente und ihre Materialien sind unbrennbar, was das Problem der Brandgefahr löst, heißt es in der Pressemitteilung.
„Wir haben schon seit längerer Zeit viel Erfahrung mit keramischen Materialien gesammelt, die man für Brennstoffzellen verwenden kann“, erklärte Alexander Schmid vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. „Das brachte uns auf die Idee, zu untersuchen, ob solche Materialien vielleicht auch dafür geeignet wären, eine Batterie herzustellen.“
Das Forschungsteam der TU Wien hat keramische Materialien untersucht, die in der Lage sind, doppelt negativ geladene Sauerstoff-Ionen zu absorbieren und freizusetzen. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung bewegen sich die Sauerstoff-Ionen von einem keramischen Material zum anderen. Dadurch kann elektrischer Strom erzeugt werden, indem man die Ionen wieder in ihre Ausgangsposition zurückführt.
Welche Vorteile hat Sauerstoff-Ionen-Batterie
Laut Prof. Jürgen Fleig ist das Grundprinzip der neuen Batterie der Lithium-Ionen-Batterie sehr ähnlich, jedoch haben die verwendeten keramischen Materialien einige entscheidende Vorteile. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien sind keramische Materialien nicht brennbar, wodurch Brandunfälle nahezu ausgeschlossen sind. Darüber hinaus werden, wie bereits erwähnt, keine seltenen Elemente benötigt, die entweder teuer sind oder auf umweltschädliche Weise gewonnen werden müssen.
Ein bedeutender Vorteil der neuen Batterietechnologie ist ihre außergewöhnliche Lebensdauer, wie Alexander Schmid erläutert. Viele Batterien haben das Problem, dass sich die Ladungsträger im Laufe der Zeit nicht mehr frei bewegen können, was dazu führt, dass die Batteriekapazität abnimmt und die Batterie nach vielen Ladezyklen unbrauchbar wird. Im Gegensatz dazu kann die Sauerstoff-Ionen-Batterie einfach regeneriert werden. Wenn durch Nebenreaktionen Sauerstoff verloren geht, kann der Verlust leicht durch Sauerstoff aus der Umgebungsluft ausgeglichen werden.
Außerdem ist die Verwendung von Keramik sehr vorteilhaft, da sie sehr anpassungsfähig ist. Schwierig zu beschaffende Elemente können relativ einfach durch andere ersetzt werden. Der Prototyp der Batterie verwendet derzeit Lanthan, ein Element, das zwar nicht selten, aber auch nicht vollständig alltäglich ist. Es wird jedoch bereits geforscht, wie man Lanthan durch günstigere Alternativen ersetzen kann. Die Verwendung von Kobalt oder Nickel, die in vielen Batterien vorkommen, kann vollständig vermieden werden.
Hervorragende Lösung, um Solar- oder Windenergie zwischenzuspeichern
Allerdings eignet sich die neue Batterie nicht für den Einsatz in Smartphones oder Elektroautos, da die Sauerstoff-Ionen-Batterie nur etwa ein Drittel der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien aufweist und bei Temperaturen zwischen 200 und 400°C betrieben werden muss. Dennoch ist die Technologie äußerst vielversprechend für die Speicherung großer Energiemengen.
Prof. Jürgen Fleig, Tobias Huber, Alexander Schmid (v.l.n.r.)
Foto: TU Wien
Alexander Schmid ist sicher: „Wenn man etwa einen großen Energiespeicher benötigt, um Solar- oder Windenergie zwischenzuspeichern, wäre die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine hervorragende Lösung“. Die geringere Energiedichte und die höhere Betriebstemperatur sind für Energiespeicher-Module in einem Gebäude nicht ausschlaggebend. Wenn man ohnehin ein Gebäude mit Energiespeicher-Modulen baut, sind die Vorteile der Sauerstoff-Ionen-Batterie besonders wichtig: die lange Lebensdauer, die Möglichkeit, große Mengen dieser Materialien ohne seltene Elemente herzustellen und die Tatsache, dass diese Batterien sicher vor Bränden sind.
Die Forschenden haben ihre Idee bereits in Advanced Energy Materials vorgestellt. „Es ist derzeit noch nicht absehbar wann diese Technologie marktreif bzw. serienreif sein wird, ich gehe aber von mindestens zehn Jahren aus. An diesem Thema arbeiten wir seit etwa eineinhalb Jahren“, sagte Alexander Schmid gegenüber ingenieur.de abschließend.
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