Langlebige Metall-Luft-Batterien: Konkurrenz für Lithium-Akkus?
Trotz hoher Energiedichte wurden Aluminium-Luft-Batterien bislang wenig eingesetzt, da sie sich auch ohne Stromentnahme schnell entladen. MIT-Forschern ist es nun gelungen, den Grund hierfür – die Korrosion der Elektroden – stark zu verringern. Ihr System könnte die Reichweite von Elektroautos deutlich erhöhen.
Die Proof-of-Concept-Batterie der MIT-Forscher blieb 24 Tage lang einsatzfähig. Bei herkömmlichen Aluminium-Luft-Batterien ohne Schutzsystem ist nach 3 Tagen Schluss.
Foto: Massachusetts Institute of Technology (MIT)
Metall-Luft-Batterien gehören zu den leichtesten und kompaktesten Batterietypen auf dem Markt, haben in der Praxis aber immense Nachteile. Wenn sie nicht in Gebrauch sind, bauen sie sich schnell ab. Jetzt haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen Weg gefunden, um Metallelektroden vor dem aggressiven Elektrolyten zu schützen und damit die Lebensdauer zu vergrößern. Nach der Stromentnahme ersetzen sie den korrosiven Elektrolyten durch ein inertes Öl.
Kompakte Bauweise, aber hohe Selbstentladung
Zum Hintergrund: Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus verlieren nach einem Monat Lagerung nur 5% ihrer Ladung. Sie sind für viele Anwendungen jedoch zu teuer, zu groß oder zu schwer. Aluminium-Luft-Batterien gehören zu den nicht wiederaufladbaren Primärzellen mit hoher Energiedichte. Das spart Platz und Gewicht. Ihre Anode aus Aluminium wird bei der Stromentnahme oxidiert, und Sauerstoff aus der Luft reduziert. Bei der Redoxreaktion entsteht schwer lösliches Aluminiumhydroxid. Als Elektrolyt kommen starke Basen zum Einsatz. Aufgrund ihrer hohen Selbstentladung von bis zu 80% sind Aluminium-Luft-Batterien derzeit jedoch keine echte Konkurrenz für Lithium-Ionen-Akkus.
Wenig praktikable Ansätze
Forscher haben schon lange versucht, die Nachteile zu umgehen. Bekannt war bislang, dass der Einsatz anderer Metalle wie Natrium, Lithium, Magnesium, Zink oder Eisen keine Alternative ist, da es zu Leistungseinbußen kommt. Aluminium hat eine deutlich höhere Energiedichte. Auch der Austausch stark korrodierender Basen im Elektrolyten durch weniger aggressive Formulierungen reduzierte die Batterieleistung stark. Das Abpumpen von Flüssigelektrolyten aus größeren Systemen hat sich ebenfalls nicht bewährt. Reste der korrosiven Lauge blieben an den Elektroden haften und zerstören diese auf Dauer.
Ölsperre schützt die Metallelektrode
MIT-Forscher lösten das Problem, indem sie mit einer Ölsperre zwischen der Aluminium-Elektrode und dem Elektrolyten arbeiteten. Im Ruhezustand ist ihre Batterie mit einem inerten Öl gefüllt. Vor Betriebsbeginn pumpen sie die Flüssigkeit ab und ersetzen sie durch den Elektrolyten. Der Energieverlust sinkt Messungen zufolge auf 0,02% pro Monat: eine mehr als eine tausendfache Verbesserung, verglichen mit bisherigen Systemen.
Nach Ende der Stromentnahme gelangt das Öl aus Tanks wieder in das System. Aufgrund seiner hydrophoben Eigenschaften verdrängt es den polaren Elektrolyten von der Elektrodenoberfläche. Die MIT-Experten haben dafür spezielle, widerstandsfähige Membranen entwickelt.
Prototyp erfolgreich getestet
Ihr Prototyp schnitt im Labor gut ab. Die MIT- Forscher entnahmen mehrfach elektrische Energie und versetzten das System danach mit Öl wieder in den Ruhezustand. Im Experiment blieb die neue Aluminium-Luft-Batterie 24 Tage lang einsatzfähig. Bei kommerziellen Produkten war nach 3 Tagen Schluss.
Wesentliche Nachteile zeigten sich nicht. Selbst mit dem Pumpsystem und mit der Ölreserve im Batterie-Pack war das System 80% leichter und halb so groß wie marktübliche Lithium-Ionen-Akkus mit gleicher Leistung.
Größere Reichweiten für Elektroautos
Damit eröffnen sich neue Märkte. Douglas P. Hart vom MIT sieht Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Elektromobilität. Aluminium-Luft-Batterien könnten die Reichweite von Elektroautos verlängern, falls ihre Akkus allein nicht ausreichen. Sie werden nur bei Bedarf aktiviert und danach wieder in den Ruhezustand versetzt – auch für längere Zeit. „Ich denke, dass das ein Wendepunkt in Bezug auf die Verwendung dieser Batterien ist“, sagt Hart. Ihr Einsatz könnte bald „über derzeitige Nischenanwendungen hinausgehen“. Sein Team hat das Verfahren zum Patent angemeldet.
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