Batterien sind eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Solche aus Lithium gelten als die unbestrittenen Marktführer, doch weltweit suchen Wissenschaftler nach alternativen und umweltfreundlicheren Baustoffen. Forscher der Empa und ETH Zürich identifizierten nun die Schwachstellen von einigen neuen Technologien.
Die Chemiker publizierten ihre Einschätzungen unter anderem in der Fachzeitschrift «New Journal of Chemistry», teilte die Empa am Montag mit. Sie fokussierten sich in der Arbeit auf die Metalle Natrium, Magnesium und Aluminium. Ihre systematische Analyse ergab, dass keine der untersuchten Technologien bezüglich Energiedichte mit Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mithalten kann, wohl auch nicht in Zukunft.
Potential für Alternativen sehen sie jedoch dort, wo Elektrizität zum einen möglichst preisgünstig gespeichert werden soll. Zum anderen in Bereichen, in denen der Fokus auf der umweltfreundlichen Herstellung der Batterien liegt. Grosse Speicherbatterien müssen beispielsweise preisgünstig und umweltfreundlich herzustellen sein. Grösse und Gewicht sind weniger wichtig. Für diesen Anwendungsfall können sich also alternative Baustoffe durchaus lohnen.
Eine Alternative ist eine Batterie, die auf Natrium basiert und im Prinzip der LIB ähnelt. Der Vorteil: Natrium ist als Rohstoff nachhaltig und alles andere als rar. Es steckt in Meerwasser oder in unterirdischen Salzstöcken. Die Nachteile sind gemäss den Chemikern, dass die Kathode bei Natriumbatterien elektrochemisch weniger stabil sind und viel weniger Ladezyklen als Lithiumbatterien aushalten.
Auch beim Anodenmaterial gibt es Probleme. Graphit, das bei LIB verwendet wird, ist für Natrium-Batterien unbrauchbar. Zinn, Antimon oder Phosphor liefern zwar gute Ergebnisse beim Speichern von elektrischen Ladungen, doch beim Aufladen bläht sich die Anode auf das Dreifache ihres ursprünglichen Volumens auf. Das beeinträchtigt die mechanische Stabilität der Batterie. Bei Phosphor-Anoden kommt hinzu, dass sich beim Aufladen ein extrem giftiges Gas bilden kann.
Auch Magnesium, das günstig und ungiftig ist, wird als Alternative erforscht. Doch: Solche Batterien aufzuladen dauert lange. Zudem sind sie nur in einem kleinen Spannungsbereich nutzbar, wenn sie langlebig sein sollen.
Ebenso ist das Metall Aluminium ungiftig, günstig und in grossen Mengen verfügbar. Aufgrund ihres Funktionsprinzips wird eine Batterie aus Aluminium und Graphit aber immer etwa fünf Mal schwerer sein als eine vergleichbare LIB. Zusätzlich bläht sich die Graphit-Kathode bei jedem Ladevorgang auf mehr als das doppelte ihres ursprünglichen Volumens auf und schrumpft beim Entladen wieder. Das wirkt sich unter anderem nachteilig auf die Langzeitstabilität der Batterie aus.
Aufgrund ihrer Befunde hoffen die Forscher nicht nur auf neue und konstruktive Lösungen. Sie fordern auch ein Umdenken in der wissenschaftlichen Praxis.
«Oft wird in der Forschungswelt mit einem Experiment nur die Machbarkeit einer Idee bewiesen - die Kosten für alle nötigen Bauteile und das voraussichtliche Gesamtgewicht des kompletten Batteriesystems werden dagegen oft vernachlässigt», liess sich Kostiantyn Kravchyk in der Mitteilung zitieren. Genau diese Parameter seien aber entscheidend für eine mögliche Kommerzialisierung. «Sie sollten daher bei Forschungsarbeiten stärker berücksichtigt werden als bisher.»
Trotz ihrer einigermassen ernüchternden Studie wollen die Forscher der Empa und ETH Zürich auch in Zukunft weiter an alternativen Speicherbatterien forschen. «Systeme mit Graphit als Kathode bleiben weiterhin sehr interessant. Wir konnten bereits zeigen, dass auch das Schwellen und Schrumpfen des Kathodenmaterials ein durchaus überwindbares Problem ist», sagt Kravchyk. Mit seinen Kolleginnen und Kollegen erforscht er nun «halbfeste» Graphit-Elektroden, die lange halten und zugleich Strom gut übertragen können.
(oli/sda)
