Die eindrücklichen Bilder von explodierten Smartphones dürften den Nutzern solch mobiler Geräte zumindest ein mulmiges Gefühl beschert haben. Die flüssigen Bestandteile in Lithiumionen-Akkus sind brennbar und bergen damit das Risiko, unter ungünstigen Umständen Feuer zu fangen. Deshalb suchen Forschende nach sichereren Alternativen auf Basis von Feststoffen.
Schweizer Forschende haben nun neue Akku-Prototypen entwickelt, die auf Natrium und Magnesium statt dem begrenzt verfügbaren Rohstoff Lithium beruhen. Weil sie darin ausserdem feste statt flüssige Elektrolyte nutzen, sind die neuen Speicherzellen sicherer und könnten den Weg weisen zur nächsten Akku-Generation.
Das Forscherteam von Arndt Remhof von der Forschungsanstalt Empa hat im Rahmen eines vom Schweizer Nationalfonds (SNF) geförderten Projekts zwei Prototypen für Feststoffbatterien entwickelt. Eine Variante beruht auf Natrium- statt Lithiumionen, die andere auf Magnesiumionen. Der Vorteil: Natrium und Magnesium sind im Gegensatz zu Lithium nahezu unbegrenzt verfügbar, wie der SNF am Dienstag mitteilte.
Eine Herausforderung bei der Entwicklung war, den Festelektrolyten so zu gestalten, dass sich die Ionen möglichst ungehindert bewegen können. Wenn die positiv geladenen Ionen von einem Pol des Akkus zum anderen wandern, ermöglichen sie auch die Bewegung der negativ geladenen Elektronen und erzeugen auf diese Weise Strom.
Remhofs Team musste daher Festelektrolyten mit einer entsprechenden Kristallstruktur entwickeln, damit sich die Natrium- beziehungsweise Magnesiumionen optimal darin bewegen konnten. «Ich vergleiche unsere Arbeit gerne mit der eines Fussballtrainers», sagt Remhof gemäss der SNF-Mitteilung. «Auch die besten Spieler können nichts ausrichten, wenn die ‹Chemie› nicht stimmt!»
Für den Natriumionen-Akku gelang es, die Bewegung der Ionen bereits ab 20 Grad Celsius zu ermöglichen, wie die Forscher im Fachblatt «Chemical Communications» berichten. Eine beachtliche Leistung, denn Ionen brauchen für die Bewegung Wärme.
Und diese Reaktion bereits bei Raumtemperatur ablaufen zu lassen, sei eine technische Herausforderung, so der SNF. Der Festelektrolyt sei zudem nicht brennbar und bleibe bis 300 Grad chemisch stabil. Er sei also besonders sicher.
Allerdings speichert Natrium bei gleichem Gewicht weniger Energie als Lithium. Das heisst, ein natriumbasierter Akku mit gleicher Speicherkapazität wäre grösser als ein entsprechender Lithiumionen-Akku. «Er dient daher als ideale Alternative, wenn die Grösse des Speichermediums für die Anwendung unerheblich ist», sagte Studienautor Léo Duchêne von der Empa gemäss der Mitteilung.
Anders sieht die Situation bei Magnesium aus: Magnesiumionen sind zweifach positiv geladen, Magnesium kann daher bei gleichem Volumen fast die doppelte Energiemenge speichern als Lithium. Jedoch sind die Magnesiumionen schwieriger in Bewegung zu versetzen, üblicherweise erst ab 400 Grad.
Dank des optimierten Festelektrolyten erreichte das Team der Empa aber eine vergleichbare Leitfähigkeit bereits bei 70 Grad. Das berichten die Wissenschaftler im Fachblatt «Scientifics Reports».
«Bei dieser Pionierarbeit geht es um den Machbarkeitsnachweis», liess sich Versuchsleiterin Elsa Roedern von der Empa in der Mitteilung zitieren. «Von einem kompletten, funktionstüchtigen Prototypen sind wir noch weit entfernt, aber wir haben einen ersten, wichtigen Schritt in die richtige Richtung gemacht.»
An dem vom SNF geförderten Projekt Novel Ionic Conductors arbeiten ausser den Empa-Forschenden auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Genf, des Paul Scherrer Instituts und des polnischen Henryk Niewodniczanski Instituts für Nuklearphysik.
(oli/sda)
