Dual-Ionen versprechen billigere Akkus
Neue Batterien mit höherer Energie-Speicherdichte sind derzeit mehr als gefragt. Japanische Forscher haben jetzt eine Dual-Ionen-Batterie als Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus entwickelt.
An preiswerteren aufladbaren Batterien mit größerer Speicherdichte sind die Hersteller von Elektroautos (im Bild eine Ladestation von Tesla) äußerst interessiert.
Foto: Tesla
Regierungen wie Unternehmen in aller Welt fördern die Entwicklung neuer Batteriearten mit großem Nachdruck. Vor allem müssen die künftigen Batterien einfacher, preiswerter und sicherer sein, wenn sie sich künftig schnell verbreiten sollen.
Eine japanische Alternative zur Lithium-Ionen Batterie
An der Universität Tokio ist einem Forscherteam inzwischen ein Durchbruch bei der Entwicklung eines neuen Batterietyps gelungen, bei dem eine ganze Reihe von Problemen herkömmlicher Batterien nicht mehr vorkommen. So hatte die Forschergruppe unter Professor Noritka Mizuno aus dem Fachbereich für Angewandte Chemie zunächst eine wiederaufladbare „Sauerstoff-Pendel-Batterie“ entwickelt. Dabei „pendelt“ Sauerstoff zwischen Anode und Kathode hin und her. Der große Vorteil dieses Batterietyps liegt darin, dass er ohne teures Lithium oder ohne das seltene Elektrodenmaterial Kobalt auskommt und extrem sicher ist. Der Nachteil liegt allerdings darin, dass diese Batterie nur eine unbefriedigende Energiedichte aufweist.
Vom Pendel-Konzept zur Dual-Ionen-Batterie
Vor Kurzem wurde dieses Pendel-Konzept von der gleichen japanischen Forschergruppe zur „Dual-Ionen-Batterie“ weiterentwickelt. Der Name gibt bereits einen Hinweis auf das Speicherprinzip, denn im Gegensatz zur Lithium-Ionen Batterie, bei der nur eine Sorte von Ionen, nämlich Lithium-Ionen, am Speicherprozess beteiligt sind, partizipieren bei der Dual-Ionen Batterie zusätzlich die Elektrolyt-Anionen am Energiespeicher-Mechanismus.
Fundamentaler Unterschied im Lade- und Entlademechanismus
Werden in der Lithium-Ionen-Zelle die Lithium-Ionen zwischen der Anode und Kathode durch Lade- und Entladeprozesse hin- und hergeschoben, weisen die Dual-Ionen-Zellen einen fundamentalen Unterschied im Lade- und Entlademechanismus auf. Sie nutzen dabei Kalzium-Eisenoxid als Kathode, Natrium-Ionen als Elektrolyt und metallisches Natrium als Anode.
Der neue Batterietyp arbeitet mit zwei beweglichen Ionen. Dies ermöglicht, dass Lithium oder Natrium als Anode für dieselbe Kathode benutzt werden können. Die Funktion des Elektrolyt, das im Falle der Lithium-Zelle nur als Transportmedium für Lithium-Ionen zwischen beiden Elektroden fungiert, im Fall der Dual-Ionen Zelle jedoch als Aktivmaterial angesehen werden kann, macht dabei den größten Unterschied zwischen beiden Batterietypen aus.
Kein teures Kathodenmaterial notwendig
Dual-Ionen-Batterien weisen gegenüber Lithium-Ionen oder Natrium-Batterien wesentliche Vorteile auf. Dazu gehört, dass auf den Einsatz umweltschädlicher, teurer und schwerer Übergangsmetalle wie Nickel, Kobalt oder Mangan verzichtet werden kann. Sowohl Kalzium-Eisenoxid als auch Natrium sind preiswerte und ungiftige Materialien.
Viele Anwendungsbereiche und preiswerte Akkus
Bei der Entladung werden Sauerstoffatome aus der CFeO3-Kathode topotaktisch extrahiert, das heisst über eine Festkörperreaktion, bei der Fremdatome oder Ionen in das Ausgangsgitter eingelagert werden, ohne dessen Typ zu ändern und in CaFeO2,5 umgewandelt.
Das extrahierte Sauerstoffatom reagiert mit den Natriumionen zu Natriumoxid Na2O. Diese Kathode hat eine theoretische Kapazität von 187 mA. Nach Angaben der Forscher ist das neue Konzept für vielfältige Anwendungsbereiche geeignet. Das könnte über hohe Produktions-Stückzahlen den Preis für aufladbare Batterien noch einmal deutlich reduzieren.
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