Lithium-Ionen-Batterien stoßen in absehbarer Zeit an ihre Grenzen. Der Rohstoff ist nur begrenzt verfügbar, ebenso Kobalt, das in diesen Akkus unabdingbar ist. Kalium oder Natrium, die in der 1. Hauptgruppe des Periodensystems Nachbarn von Lithium sind und ähnliche Eigenschaften haben, könnten die Lösung sein. Beide Elemente sind auf der Erde im Überfluss vorhanden. Zudem benötigen Batterien auf dieser Materialbasis keine giftigen Zutaten.
Kurzschlüsse durch nadelspitze Ablagerungen
Die Lithium-Alternativen sind allerdings noch weit entfernt von der Serienfertigung. Die Energiedichten sind noch zu gering, die Haltbarkeit der Elektroden reicht nicht aus und es bilden sich Dendrite, das sind nadelspitze Ablagerungen auf den Elektroden, die den Elektrolyten – er trennt die beiden Elektroden voneinander – durchstoßen und einen Kurzschluss verursachen können. Die Folge: Die Batterie fängt Feuer oder explodiert sogar, denn der Elektrolyt ist brennbar.
Die Materialwissenschaftlerin Zaiping Guo und ihr Team von der University of Wollongong in Australien haben möglicherweise eine Lösung für das Brandproblem gefunden. Die Forscher entwickelten einen Elektrolyten für die Kalium- und Kaliumionen-Batterie auf der Basis eines Brandschutzmittels. Hauptbestandteil ist Triethylphosphat, eine Substanz, die auch als Flammschutzmittel bekannt ist und bereits in Lithium-Ionen-Batterien als Lösungsmittel getestet wurde. Das ging insofern schief, als die notwendigen Salzkonzentrationen im Elektrolyten zu hoch waren.
Was bei Kalium-Batterien anders ist
Bei Kalium-Batterien ist es genau umgekehrt. Die Salzkonzentration lässt sich reduzieren, was großtechnische Anwendungen begünstige, sagen die Forscher. Dass die Batterie zahlreiche Lade- und Entladezyklen übersteht, liegt daran, dass sich auf der Oberfläche der Elektroden eine leitfähige Schicht aufbaute.
Sauerstoff vergiftete die Anode
Während Kalium-Ionen-Batterien noch auf ihre Serienreife warten, ist bereits die nächste Generation in Arbeit, die weitaus mehr Strom speichern kann, auch als heutige Lithium-Ionen-Batterien. Gemeint ist die Kalium-Luft-Batterie, deren eine Elektrode aus metallischem Kalium besteht, die andere aus Luft. Klingt merkwürdig, funktioniert aber. Forscher der Ohio State University in Columbus sind der Realisierung einen großen Schritt nähergekommen. In bisherigen Versuchen gab die Anode, eine der beiden Elektroden, schon nach kurzer Zeit den Geist auf, weil Sauerstoffatome den Weg durch den Elektrolyten gefunden hatten und sich an der Oberfläche festkrallten.
Batterie atmet ähnlich wie ein Mensch
Paul Gilmor. Doktorand von Vishnu-Baba Sundaresan, Professor für Mechanik und Raumfahrt, ließ das nicht ruhen. Er begann, mit dem Anodenmaterial zu experimentieren. Erfolg hatte er mit Kunststoffbarrieren, die den Sauerstoff in seine Schranken verwiesen. Gilmor vergleicht seine Anordnung mit der menschlichen Lunge, die gefilterte Luft bekommt. Der Filter des Doktoranden hat drei Ebenen. Die erste ist ein faseriges Gemisch aus Kohlenstoff. Die zweite Schicht lässt mehr Luft durch. Die dritte, die aus einem leitfähigen Kunststoff besteht, ist eine Falle für Sauerstoff. Sie lässt, wie gewünscht, nur Kaliumionen passieren. Mit diesem Design gelang es, die Zahl der Zyklen auf 125 zu erhöhen, also auf das Zwölffache.
Zehnmal höhere Kapazität
Die „atmende“ Batterie speichert zehnmal mehr Strom als die heute gängigen Akkus, würden die Reichweite von Elektroautos also massiv vergrößern. Sie ist zudem billiger. Die Forscher beziffern die Kosten mit 44 Dollar pro Kilowattstunde Speicherkapazität. Lithium-Ionen-Akkus kämen auf 100 Dollar. Das würde auch das Speichern von überschüssigem Wind- und Solarstrom erheblich verbilligen. Bis zur Realisierung ist der Weg allerdings noch weit. Denn noch sind sie ziemlich klein. Sundaresan trägt sie locker auf dem Arm.
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