Elektroautos: Weiter mit dem Calcium-Akku
Der Weg für einen leistungsfähigeren Stromspeicher ist frei. Forscher in Ulm entwickelten einen Elektrolyten, der das Laden bei Umgebungstemperatur ermöglicht. Bisherige Prototypen benötigten nicht praktikable 75 Grad.
Zhirong Zhao-Karger (links) und Zhenyou Li (rechts) aus dem Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence) gelang es, vielversprechende Elektrolyte für Calciumbatterien herzustellen.
Foto: Markus Breig/KIT
Die Batterieforscher des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) sind immer für eine Überraschung gut. Nachdem sie vor 3 Jahren Elektroden für Natriumbatterien aus Apfelresten entwickelt hatten, gelang ihnen jetzt der Durchbruch bei Calcium-Akkus (eingedeutscht Kalzium-Akku). Diese sind deutlich leistungsfähiger als die heute gebräuchlichen Lithium-Ionen-Batterien, ermöglichen also, wenn sie in Elektroautos eingesetzt werden, eine größere Reichweite. Auch Smartphone, Laptop und Tablet bleiben damit länger fit.
Die Unart der Calcium-Batterie
Seit Jahren versuchen internationale Forscher, der Calcium-Batterie eine Unart abzugewöhnen. Sie nimmt nur Strom auf, wenn die Temperatur wenigstens 75 Grad Celsius beträgt. Das ist für den Alltagsgebrauch nicht praktikabel. Gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das zu den HIU-Gründungsmitgliedern gehört, fand ein Team um Professor Maximilian Fichtner vom KIT, Direktor der Forschungsplattform Celest (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe), heraus, dass die Wärmesucht der Batterie am Elektrolyten lag. Fortan konzentrierten sich die Forscher darauf, einen Elektrolyten zu entwickeln, dem diese Unart fehlt. Der Elektrolyt trennt die beiden Elektroden der Batterie. Er lässt nur bestimmte Ionen passieren.
Calciumsalze brachten die Lösung
„Erst seit wenigen Jahren existieren überhaupt experimentelle Elektrolyte und damit Prototypen der Calcium-Batterie“, so Zhenyou Li, Erstautor der Studie, und Zhirong Zhao-Karger, Projektleiterin, die beide im Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence) am KIT arbeiten. Dort wird die Calcium-Batterie im Rahmen von CELEST weiterentwickelt. In der Praxis einsetzbar waren diese Prototypen nicht. Jetzt haben die Forscher einen Elektrolyten vorgestellt, der allen Anforderungen gerecht wird. Er basiert auf organischen Calciumsalzen und trägt den zungenbrecherischen Namen Calciumtetrakis[hexafluoroisopropyloxy]borat.
Weltweit sind die Rohstoffe in großen Mengen vorhanden
Batterien auf der Grundlage von Calcium haben eine Reihe von Vorteilen. Da dieses Element im Gegensatz zu Lithium zwei Elektronen pro Atom ab- und aufnehmen kann, speichert dieser Batterietyp pro Volumeneinheit weitaus mehr Strom. Außerdem benötigt er keine raren Rohstoffe wie Lithium und Kobalt, das zudem noch giftig ist und in Afrika oft von Kindern bergmännisch gewonnen wird. „Calcium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste“, so Fichtner. „Es ist gleichmäßig auf der Erde verfügbar und bietet den Vorteil sicher, ungiftig und kostengünstig zu sein.“ Calcium ist Bestandteil von Kalkstein, Marmor, Kreide, Gips und diversen anderen Mineralien.
Es gibt noch andere Lithium-Konkurrenten
Die Calcium-Batterie ist nur eine von mehreren Alternativen für die Lithium-Ionen-Batterie. Feststoffakkus, wie sie am Forschungszentrum Jülich entwickelt werden und erfolgreich getestet worden sind, gehören ebenso zu den Herausforderern wie Natrium-, Schwefel-, Magnesium- und Aluminium-Batterien. Doch alle sind noch im Forschungsstadium.
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