Nachhaltige, preisgünstige Batterien – wie das funktionieren könnte
Eine Aluminium-Schwefel-Batterie, die aus kostengünstigen, reichlich vorhandenen Materialien hergestellt wird, könnte die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen revolutionieren.
Die Hauptbestandteile der neuen Batterie: Aluminium (links), Schwefel (Mitte) und Steinsalz (rechts).
Foto: Rebecca Miller/MIT
Da weltweit immer mehr Wind- und Solarenergiesysteme installiert werden, wächst der Bedarf an wirtschaftlichen, groß angelegten Backup-Systemen, die Strom liefern, wenn die Sonne untergeht oder die Luft ruhig ist. Lithium-Ionen-Batterien sind für die meisten derartigen Anwendungen zu teuer. Mehr und mehr geht es auch um Fragen der Nachhaltigkeit und des umweltschonenden Abbaus der Rohstoffe vor Ort.
Jetzt haben Forscher am MIT eine neue Batterie entwickelt, die vollständig aus reichlich vorhandenen und preiswerten Materialien besteht und dazu beitragen könnte, diese Lücke zu schließen. Sie arbeiten mit Aluminium und Schwefel als Elektrodenmaterialien. Dazwischen befindet sich als Elektrolyt eine Salzschmelze. „Ich wollte etwas entwickeln, das besser, viel besser ist als Lithium-Ionen-Batterien für kleine stationäre Speicher und auch für den Einsatz in Kraftfahrzeugen“, erklärt Donald Sadoway vom MIT. Er hat das Projekt geleitet.
Welche Nachteile kommerzielle Batterien haben
Zum Hintergrund: Lithium-Ionen-Batterien sind nicht nur teuer, sondern enthalten auch einen entflammbaren Elektrolyten, was sie für den Transport nicht gerade ideal machen. Zudem wird auch die Rohstoffgewinnung in südamerikanischen Salzwüsten mehr und mehr kritisiert – hinsichtlich der Arbeitsbedingungen und des Umweltschutzes.
Also begann Sadoway systematisch das Periodensystem der chemischen Elemente durchzugehen und nach preisgünstigen, reichlich vorhandenen Metallen zu suchen, die Lithium ersetzen könnten. Das kommerziell wichtigste Metall, Eisen, habe nicht die richtigen elektrochemischen Eigenschaften für eine effiziente Batterie, sagt er. Das zweithäufigste Metall auf dem Markt – und eigentlich das am häufigsten vorkommende Metall auf der Erde – ist jedoch Aluminium.
Und so fiel Sadoways Wahl auf Aluminium. Doch womit sollte das Elektrodenmaterial kombiniert werden? Das preisgünstigste und am leichtesten verfügbare Nichtmetall ist Schwefel – und wurde zum Elektrodenmaterial. Als Elektrolyt wollte der Forscher jedoch keine leicht entflammbaren, teils toxischen Flüssigkeiten verwenden. Zuerst arbeitete er mit unterschiedlichen Polymeren, was nicht zum Erfolg geführt hat. Weitere Experimente mit Salzmischungen folgten. Diese haben relativ niedrige Schmelzpunkte nahe am Siedepunkt von Wasser, im Gegensatz zu fast 1.000°C bei vielen Salzen. Daraus stellten Sadoways und sein Team mehrere Batterien für Tests her.
Tests der Batterien im Labor
Bei Experimenten zeigte sich, dass die Batteriezellen Hunderte von Zyklen bei außergewöhnlich hohen Ladegeschwindigkeiten aushalten, wobei die Kosten pro Zelle nur etwa ein Sechstel der Kosten vergleichbarer Lithium-Ionen-Zellen betragen sollen. Sie zeigten, dass die Ladegeschwindigkeit stark von der Arbeitstemperatur abhängt. Bei 110°C waren die Raten 25-mal schneller als bei 25°C.
Überraschenderweise erwies sich das geschmolzene Salz, das das Team eigentlich nur wegen seines niedrigen Schmelzpunkts als Elektrolyt ausgewählt hatte, als vorteilhaft. Das kam so: Eines der größten Probleme bei der Zuverlässigkeit von Batterien ist die Bildung von Dendriten. Das sind schmale Metallspitzen, die sich auf einer Elektrode ansammeln und schließlich auf die andere Elektrode übergreifen, was einen Kurzschluss verursacht und die Effizienz beeinträchtigt. Dieses spezielle Salz ist jedoch in der Lage, solche Fehlfunktion zu verhindern. Das von ihnen gewählte Salzgemisch war ideal, um dendritische Strukturen zu entfernen. Sie ermöglichte auch die schnelle Aufladung. „Wir haben Experimente mit sehr hohen Ladegeschwindigkeiten durchgeführt und in weniger als einer Minute aufgeladen, und wir haben nie Zellen aufgrund von Dendritenkurzschlüssen verloren“, berichtet Sadoway.
Darüber hinaus benötigt die Batterie keine externe Wärmequelle, um ihre Betriebstemperatur zu halten. „Beim Aufladen wird Wärme erzeugt, die das Salz vor dem Gefrieren bewahrt. Und beim Entladen wird ebenfalls Wärme erzeugt“, erklärt Sadoway. In einer typischen Installation, die zum Beispiel als Lastausgleich in einer Solaranlage verwendet wird, speichert man Strom, wenn die Sonne scheint, und entnimmt ihn nach Einbruch der Dunkelheit, und das jeden Tag. Dieses Aufladen im Leerlauf und Entladen im Leerlauf reicht den Experimenten zufolge aus, um genug Wärme zu erzeugen, um die Batterie auf Temperatur zu halten.
Innovative Batterien auf dem Weg zur Anwendung
Die neue Technologie ist bereits Grundlage für ein neues Spin-off-Unternehmen namens Avanti, das Patente für das System lizenziert hat. „Zuerst muss das Unternehmen nachweisen, dass die Technologie in großem Maßstab funktioniert“, sagt Sadoway. Dann würden Stresstests folgen, unter anderem Hunderte von Ladezyklen.
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