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Elektrochemie für den Massenbedarf12. November 2015
Super umweltfreundlich: die «Katzengold-Batterie»
Hochleistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien haben ein Problem: Das Lithium wird irgendwann knapp, weil immer mehr Elektroautos und stationäre Speicherbatterien gebaut werden müssen. Nun haben Forscher der Empa und der ETH Zürich eine Alternative entdeckt: die «Katzengold-Batterie». Sie besteht aus Eisen, Schwefel, Natrium und Magnesium – Elemente, die in beliebig grossen Mengen verfügbar sind. Mit kleinem Geld liessen sich damit riesige, stationäre Speicherakkus innerhalb von  Gebäuden oder neben Kraftwerken bauen.

Schlüssel zum Erfolg: Pyrit (Katzengold) als Kathodenmaterial.
(Foto: JJ Harrison/commons.wikimedia.org)

Die Suche nach preisgünstigen Akkus zur Speicherung von Strom ist ein dringendes Geschäft: Immer mehr unregelmässig produzierter Ökostrom bringen das herkömmliche Stromnetz an die Belastungsgrenze.  So wächst der Bedarf an stationären Zwischenspeichern, die ans «smart grid» angeschlossen werden können. Auch die Zahl der Elektroautos, die schnell ihre Akkus laden müssen, wird zunehmen. Die bekannten, leistungsfähigen Li-Ionen-Akkus eigenen sich jedoch schlecht als stationäre Zwischenspeicher; dafür sind sie zu teuer und das wertvolle Lithium zu knapp. Eine billige Alternative ist gefragt – ein Akku, der aus preiswerten, massenhaft verfügbaren Zutaten bestehen sollte. Doch Elektrochemie ist eine vertrackte Sache: Nicht alles, was billig ist, gibt einen Akku her.

Sicher, langlebig und günstig

Maksym Kovalenko, Marc Walter und ihren Kollegen im Labor für Dünnfilme und Photovoltaik der Empa gelang nun so etwas wie die Quadratur des Kreises: Kovalenkos Team kombiniert eine Magnesium-Anode mit einem Elektrolyten aus Magnesium- und Natriumionen. Als Kathode dienen Nanokristalle aus Pyrit – landläufig bekannt als Katzengold. Pyrit ist kristallines Eisensulfid, bestehend aus Eisen und Schwefel. Die Natrium-Ionen aus dem Elektrolyten wandern beim Entladen in die Kathode. Beim Wiederaufladen gibt Pyrit die Natrium-Ionen wieder frei. Diese so genannte Natrium-Magnesium-Hybrid-Batterie funktioniert bereits im Labor und vereint verschiedene Vorteile: Das Magnesium der Anode ist weit sicherer als das leicht brennbare Lithium. Und schon der Versuchsakku im Labor überstand 40 Lade- und Entladezyklen, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüssen – ein Ergebnis, das zu einer weiterer Optimierung des Testsystems geradezu einlädt.


Pyrit-Nanokristalle im Elektronenmikroskop: Aus solchen Kristallen besteht die Kathode der «Katzengold-Batterie» (Foto: Empa)



Der grösste Vorteil ist jedoch, dass alle Zutaten für diese Art Akku in beliebiger Menge und sehr preisgünstig zur Verfügung stehen: Eisensulfid-Nanokristalle lassen sich zum Beispiel herstellen, indem man metallisches Eisen mit Schwefel in herkömmlichen Kugelmühlen trocken vermahlt. Eisen, Magnesium, Natrium und Schwefel sind die häufigsten chemischen Elemente ist in der Erdkruste und liegen an 4., 6., 7. und 15. Stelle. Ein Kilogramm Magnesium kostet daher weniger als vier Franken und ist damit 15-mal billiger als Lithium. Auch beim Bau der Billig-Akkus lässt sich sparen: Li-Ionen-Akkus brauchen relativ teure Kupferfolien, um den Strom zu sammeln und abzuleiten. Bei der «Katzengold-Batterie» würde preisgünstige Alufolie genügen.

Potential, um eine Jahresproduktion Strom des Kraftwerks Leibstadt zwischenzuspeichern

Die Forscher sehen in ihrer Entwicklung vor allem Potential für grosse Netzspeicherbatterien. Zwar eigne sich die Katzengold-Batterie nicht für Elektroautos – dafür ist ihre Leistung zu gering. Dort aber, wo es auf Kosten, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit ankommt, sei die Technik im Vorteil. In ihrer vor kurzem veröffentlichten Publikation im Fachjournal «Chemistry of Materials» schlagen die Empa-Forscher Batteriespeicher mit einer Kapazität von Terawattstunden vor. In einem solchen Akku liesse sich beispielsweise die Jahresproduktion des Schweizer Atomkraftwerks Leibstadt zwischenspeichern. «Noch ist das volle Potential der Batterie nicht ausgeschöpft», sagt Maksym Kovalenko, der parallel zu seiner Forschung an der Empa als Professor am Departement Chemie und angewandte Biowissenschaften der ETH Zürich lehrt. «Mit Hilfe weiterentwickelter Elektrolyten lässt sich die elektrische Spannung und die Lebensdauer der Natrium-Magnesium Hybrid-Zelle mit Sicherheit noch erhöhen.» Er fügt hinzu: «Nun suchen wir nach Investoren, die unsere Forschung auf dem Weg ins Nach-Lithium-Zeitalter unterstützen und solch zukunftsweisende Technologie auf den Markt bringen wollen.»

Bilder können heruntergeladen werden unter https://flic.kr/s/aHskp9gx9C


 
  • Literatur:  Efficient and Inexpensive Sodium–Magnesium Hybrid Battery, M Walter, KV Kravchyk, M Ibáñez, MV Kovalenko,
    Chem Mater, 2015, 27 (21), pp 7452–7458, DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b03531 (http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.5b03531)

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