Fachwissen
Welche ist die neue Superbatterie? Der Bedarf an Batteriespeichern für erneuerbare Energien wird in Zukunft massiv steigen. Könnten wir neben den bekannten Lithium-Ionen-Batterien auch umweltfreundlichere Modelle bauen, um wertvolle Ressourcen zu sparen? Die Forschung widmet sich möglichen Alternativen. Text: Rainer Klose, Empa
Die wachsenden Mengen an temporär ver
und ETH-Zürich-Forscher Kostiantyn Krav
hören die Vorteile schon auf. Weil ein Na
fügbarem Ökostrom können nicht mehr
chyk und Maksym Kovalenko haben sich
trium-Ion rund 50 Prozent grösser ist als
allein in Pumpspeicherkraftwerken gespei
mögliche Alternativen zum Lithium-Ionen-
ein Lithium-Ion, sind die Materialien an der
chert werden – das lässt schon das über
Akku genauer angeschaut. Sie haben Dut
Kathode elektrochemisch weniger stabil;
lastete Stromnetz kaum noch zu. In vielen
zende Veröffentlichungen von Forschungs
zudem hält ein Natriumkobaltoxid sehr viel
Weltregionen sind Pumpspeicherkraftwer
gruppen weltweit studiert und systematisch
weniger Ladezyklen aus. Auch auf der Ge
ke aus Mangel an Wasser und geeigneten
eigene Versuche angestellt. Ihre Einschät
genseite der Batterie, beim Anodenmaterial,
Gebirgsformationen ohnehin nicht mach
zungen wurden Anfang 2020 unter ande
gibt es Probleme. Grafit (wie beim Lithium-
bar. Der Bedarf an preisgünstigen, orts
rem im Fachblatt «New Journal of Chemis
Ionen-Akku) ist für Natriumbatterien un
festen Speicherbatterien wird also kräftig
try» veröffentlicht.
brauchbar, denn es speichert zu wenige
steigen. Sie sollten zudem möglichst aus
Natrium-Ionen. Versuche mit preisgünsti
umweltfreundlichen Materialien gebaut
Weg vom Lithium – hin zum Natrium?
gem Zinn, Antimon oder Phosphor ergaben
sein, um die Weltvorräte an Lithium, Kobalt
Eine der einfachsten Ideen wäre es, Lithi
zwar gute Ergebnisse beim Speichern von
und anderen teuren Metallen nicht noch
um durch Natrium zu ersetzen. Natrium
elektrischen Ladungen, doch beim Aufladen
weiter zu belasten – diese Substanzen ste
chlorid findet sich im Meerwasser und ist
bläht sich die Anode auf das Dreifache ihres
cken in Lithium-Ionen-Akkus. Die Empa-
überall auf der Welt zugänglich. Doch damit
ursprünglichen Volumens auf. Bei Erschüt terungen kann das geblähte Material leicht zerfallen, die Batterie wäre kaputt. Bei
Lithium-Ionen-Batterie
Phosphoranoden gibt es ein noch gravie
Aluminium-Graphit-Batterie
renderes Problem: Beim Aufladen entsteht in der Anode Natriumphosphid (Na3P7), das zusammen mit Wasser Monophosphan er gibt, ein extrem giftiges Gas, das zu Atem Kathode
Li+
AlCl 4-
Anode
Li+
Kathode
Anode
AlCl 4-
stillstand führt. Auf die gleiche Weise wir ken
auch
Metallphos phide,
die
als
Rattengift eingesetzt werden. Kaum je
Al2Cl7-
mand dürfte eine solche Batterie, vollgela den mit Solarstrom, in seinem K eller haben
Graphit
Kobaltoxid
Aluminium
Graphit
Aluminiumchlorid (AlCl 4- ) wird beim Entladen an der Anode chemisch umgewandelt (in Al Cl - ) und
Lithium-Ionen werden beim Entladen der Batterie von der Graphit-Anode freigesetzt, fliessen zur Kathode und werden als metallisches Lithium in das Kobaltoxidkristallgitter eingelagert. Beim Aufladen läuft der Vorgang umgekehrt (Schaukelstuhl-Prinzip).
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zugleich an der Kathode aus dem Graphit freigesetzt. Beim Laden läuft der Vorgang umgekehrt. Um die Batterie wieder ganz aufladen zu können, muss genügend AlCl 4- vorhanden sein. Es braucht also relativ viel Elektrolytflüssigkeit. Darum sind AluminiumBatterien rund fünfmal schwerer als Lithium-IonenAkkus.
wollen.
Wie wärs mit Magnesium? Auf Natrium folgt im chemischen Perio densystem Magnesium. Es ist ein kleines, leichtes Atom und kann zwei Elektronen auf einmal übertragen. Magnesium ist günstig und ungiftig. Könnte man daraus
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