Brandgefahr mit neuer Sauerstoff-Ionen-Batterie gebannt

In zahlreichen Bereichen des täglichen Lebens spielen Lithium-Ionen-Batterien eine wichtige Rolle. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte scheint die Wende zur E-Mobilität ohne sie undenkbar, und auch in den meisten Smartphones und Hausspeichern sind sie zu finden. Für andere Einsatzgebiete eignen sie sich dagegen weniger. Denn ein entscheidender Nachteil von Lithiumakkus ist die mit der Zeit deutlich abnehmende Speicherkapazität.

Forschenden an der TU Wien ist es nun gelungen, einen Batterietyp zu entwi­ckeln, der zwar keine so hohen Energiedichten aufweist, dafür aber deutlich langlebiger ist. Die neue Batterie basiert auf Sauerstoffionen und lässt sich nach dem Verlust von Speicherkapazität wieder regenerieren. Ein anderer wichtiger Vorteil bei der Herstellung von Sauerstoff-Ionen-Batterien ist der Ver­zicht auf seltene Elemente. Gemeinsam mit spanischen Partnern wurde die Idee zu der Batterie schon als Patent angemeldet.

Dank keramischer Materialien im Vorteil

Ihre Erfahrung mit dem Einsatz keramischer Materialien in Brennstoffzellen brachte die Forscher auf die Idee, dieselben Materialien für die Herstellung von Batterien zu testen. Dabei ähnelt das Funktionsprinzip dem von Lithium-Ionen-Batterien in vielerlei Hinsicht. Ein entscheidender Vorteil ist jedoch die höhere Sicherheit: Denn da Keramik ein nichtbrennbarer Werkstoff ist, ist die Gefahr von Bränden und Explosionen, wie sie immer wieder bei Lithium-Ionen-Batterien vorkommen, gebannt.

Das keramische Material hat die Fähigkeit, Sauerstoffionen mit doppelt nega­tiver Ladung aufzunehmen. Wird eine elektrische Spannung angelegt, findet eine Bewegung der Ladungsträger statt: Sie wandern von dem einen kerami­schen Material zum anderen; in die umgekehrte Richtung geht es bei fallen­der Ladung.    

Und jetzt kommt der zweite entscheidende Vorteil ins Spiel, den Sauerstoff- gegenüber Lithium-Ionen-Batterien haben. Während diese nach einer gewis­sen Zeit ermüden, sich deren Ladungsträger also nicht mehr bewegen, weil sich das Lithium in Nebenreaktionen verflüchtigt hat, ist ein Verlust von Sauer­stoff kein Problem: Er kann jederzeit durch Sauerstoff aus der umgebenden Luft ersetzt werden.

Hervorragend für große, stationäre Energiespeicher

Aufgrund dieser Eigenschaften weisen Sauerstoff-Ionen-Batterien eine hohe Lebensdauer bei niedrigerer Energiedichte auf. Dadurch eignen sie sich zwar nicht für die energieintensiven Anwendungen bei Fahrzeugen oder Smartphones, dafür aber umso mehr für stationäre Energiespeicher, wie sie bei erneuerbaren Energien eingesetzt werden. Weil sie sich immer wieder re­generieren lassen, können sie als Speicher von Wind- oder Solarenergie genutzt werden.

Da die Betriebstemperatur zwischen 200 und 400 °C liegt, empfiehlt es sich, Zellen in großen Speichern zu verbauen. Beispielsweise können ganze Gebäude mit Modulen zur Energiespeicherung eingerichtet werden. Und genau da zeigt sich noch ein weiterer wichtiger Vorteil des neuen Batterie­typs: seine Flexibilität. 

Verzicht auf seltene Elemente

Denn dank des Einsatzes keramischer Materialien ist es möglich, bestimmte Rohstoffe durch andere zu ersetzen. Zwar ist in dem Prototypen noch Lanthan verbaut, aber auch dieses nicht allzu weit verbreitete Element soll über kurz oder lang durch andere, gebräuchlichere Stoffe ersetzt werden. Dadurch können nicht nur Kosten gespart, sondern auch mit der Förderung verbun­dene Gefahren für Umwelt und Menschenrechte vermieden werden. Bereits heute wird in dem neuen Batterietyp vollkommen auf Nickel und Kobalt ver­zichtet.

Quellen: TU Wien, 22.03.2023 und efahrer.com, Aslan Berse, 26.03.2023
Bild: TU Wien