Silizium-Luft-Batterien 1000 Stunden in Betrieb

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.

Foto: Forschungszentrum Jülich

Batterien, deren Elektroden aus Luft und Silizium bestehen, speichern fünfmal mehr Strom als gängige Lithium-Ionen-Batterien. Außerdem enthalten sie Kohlenstoff, ein bisschen Nickel, das als Bratpfannenbeschichtung Teflon bekannte Polytetrafluorethylen, Kaliumhydroxid und Wasser, lauter äußerst billige Rohstoffe, die zudem im Überfluss zur Verfügung stehen. In Elektroautos, Laptops oder Smartphones sucht man sie trotz ihrer überragenden Speicherdichte, die die Reichweite verfünffachen würde, vergeblich. Denn sie haben eine entscheidende Macke: Schon nach ein paar Dutzend Stunden geben sie die gespeicherte Energie nicht mehr ab.

Anfangs auf der falschen Fährte

Im Forschungszentrum Jülich (FZJ) hat jetzt eine – allerdings nur knopfzellengroße – Silizium-Luft-Batterie einen denkwürdigen Weltrekord aufgestellt. Sie läuft seit mehr als 1000 Stunden, ohne dass ihre Bereitschaft, den gespeicherten Strom wieder abzugeben, gelitten hätte.

Anfangs versuchten die Forscher am FZJ-Institut für Energie- und Klimaforschung, die Siliziumanode vor Korrosion zu schützen, weil sie vermuteten, das sei die Ursache für die Kurzlebigkeit. Sie experimentierten mit unterschiedlichen Elektrolyten, das sind Flüssigkeiten, die sich zwischen den Elektroden (Anode und Kathode) befinden, und modifizierten die poröse Schicht, durch die Luftsauerstoff in die Batterie eindringt.

Schematischer Aufbau einer Silizium-Luft-Batterie.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Erst als sie ionische Flüssigkeiten einsetzten, das sind Spezialsalze, die bei Zimmertemperatur flüssig sind, beobachteten die Forscher eine Verbesserung. Damit konterkarierten sie allerdings ihr Ziel, eine Billigbatterie zu entwickeln – ionische Flüssigkeiten sind sehr teuer.

Eine kleine Pumpe brachte den Durchbruch

Dann hatten sie die rettende Idee. Sie vermuteten, der Elektrolyt –  Kaliumhydroxid, gelöst in Wasser – werde beim Be- und Entladen der Batterie verbraucht, sodass sie nach einer Weile den Betrieb einstellt. Aus diesem Grund fügten sie eine Pumpe hinzu, die von Zeit zu Zeit frischen Elektrolyt einspeiste. „Bleibt die Siliziumanode in Kontakt mit dem Elektrolyten, läuft die Batterie“, so die Erkenntnis von Hermann Tempel, einem der beteiligten Forscher. Ungeachtet dessen baut sich das Silizium im Laufe der Zeit ab, sodass die Anode von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden muss.

Für den Einsatz im Alltag ist die Batterie noch immer nicht geeignet. Nutzer haben mit Sicherheit keine Lust, alle paar Wochen die Anode auszutauschen und Elektrolytflüssigkeit nachzufüllen. Tempel sieht das auch so: „Die Batterie ist immer noch nicht perfekt, aber jetzt wissen wir, woran wir arbeiten müssen.“

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