Neues Konzept für preisgünstige Batterien

Technologie bereits Grundlage für Spin-off-Unternehmen

Eine Aluminium-Schwefel-Batterie, die aus billigen, reichlich vorhandenen Materialien produziert werden kann, könnte eine kostengünstige Reservespeicherung für Erneuerbare Energien bieten, schreibt David L. Chandler vom Nachrichtenbüro des Massachusetts Institute of Technology am 24.08.2022 auf der MIT-Internetseite.

Da weltweit immer mehr Wind- und Solarenergieanlagen installiert werden, wächst der Bedarf an wirtschaftlichen, groß angelegten Backup-Systemen, die Strom liefern, wenn die Sonne untergeht und die Luft ruhig ist. Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien sind für die meisten derartigen Anwendungen noch zu teuer, und andere Optionen, wie z. B. Wasserspeicher, erfordern eine spezielle Topografie, die nicht immer verfügbar ist.

Jetzt haben Forscher am MIT und anderswo eine neue Art von Batterie entwickelt, die vollständig aus reichlich vorhandenen und preiswerten Materialien besteht und dazu beitragen könnte, diese Lücke zu schließen. Die neue Batteriearchitektur, die Aluminium und Schwefel als zwei Elektrodenmaterialien mit einem geschmolzenen Salzelektrolyten dazwischen verwendet, wurde am 24.08.2022 in Nature in einem Artikel von MIT-Professor Donald Sadoway und 15 weiteren Forschern am MIT sowie in China, Kanada, Kentucky und Tennessee beschrieben. „Ich wollte etwas erfinden, das besser, viel besser ist als Lithium-Ionen-Batterien für kleine stationäre Speicher und schließlich für den Einsatz in Kraftfahrzeugen“, erklärt Sadoway, emeritierter John F. Elliott-Professor für Materialchemie.

Lithium-Ionen-Batterien sind nicht nur teuer, sondern enthalten auch einen entflammbaren Elektrolyten, was sie für den Transport nicht gerade ideal macht. Also begann Sadoway mit der Untersuchung des Periodensystems, um nach billigen, auf der Erde reichlich vorhandenen Metallen zu suchen, die Lithium ersetzen könnten. Das kommerziell dominierende Metall, Eisen, hat nicht die richtigen elektrochemischen Eigenschaften für eine effiziente Batterie, sagt er. Das zweithäufigste Metall auf dem Markt – und eigentlich das am häufigsten vorkommende Metall auf der Erde – ist jedoch Aluminium. „Also habe ich gesagt: Na gut, dann nehmen wir einfach das als Baustein“, sagt er.

„Dann musste ich entscheiden, womit ich das Aluminium für die andere Elektrode kombinieren wollte und welche Art von Elektrolyt dazwischen liegen sollte, um die Ionen beim Laden und Entladen hin und her zu transportieren. Das billigste aller Nichtmetalle ist Schwefel, und so wurde es zum zweiten Elektrodenmaterial. Als Elektrolyt wollten wir nicht die flüchtigen, entflammbaren organischen Flüssigkeiten verwenden, die manchmal zu gefährlichen Bränden in Autos und anderen Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien geführt haben“, sagt Sadoway. Man versuchte es mit einigen Polymeren, entschied sich dann aber für eine Reihe von geschmolzenen Salzen, die einen relativ niedrigen Schmelzpunkt haben – nahe dem Siedepunkt von Wasser, im Gegensatz zu fast 1.000° C bei vielen Salzen. „Sobald man in die Nähe der Körpertemperatur kommt, wird es praktisch, um Batterien herzustellen, die keine besondere Isolierung und Korrosionsschutzmaßnahmen erfordern“, sagt er.

Die drei gefundenen Zutaten sind billig und leicht erhältlich: Aluminium, das sich nicht von der Folie im Supermarkt unterscheidet, Schwefel, der häufig als Abfallprodukt bei Prozessen wie der Erdölraffination anfällt, und weithin verfügbare Salze. „Die Zutaten sind preiswert, und die Sache ist sicher – sie kann nicht brennen“, sagt Sadoway.

In seinen Experimenten zeigte das Team, dass die Batteriezellen Hunderte von Zyklen bei außergewöhnlich hohen Ladegeschwindigkeiten durchlaufen können, wobei die Kosten pro Zelle nur etwa ein Sechstel der Kosten vergleichbarer Lithium-Ionen-Zellen betragen. Die Forscher zeigten, dass die Ladegeschwindigkeit stark von der Arbeitstemperatur abhängt, wobei 110° C (230° F) 25-mal schnellere Raten als 25 C (77 F) ergeben.

Überraschenderweise erwies sich das geschmolzene Salz, das das Team nur wegen seines niedrigen Schmelzpunkts als Elektrolyt wählte, als vorteilhaft. Eines der größten Probleme bei der Zuverlässigkeit von Batterien ist die Bildung von Dendriten, d. h. schmalen Metallspitzen, die sich auf einer Elektrode ansammeln und schließlich auf die andere Elektrode übergreifen, was einen Kurzschluss verursacht und die Effizienz beeinträchtigt. Dieses spezielle Salz ist jedoch sehr gut in der Lage, diese Fehlfunktion zu verhindern.

Das von ihnen gewählte Chloraluminatsalz „verhindert im Wesentlichen die Entstehung von Dendriten und ermöglicht gleichzeitig eine sehr schnelle Aufladung“, sagt Sadoway. „Wir haben Experimente mit sehr hohen Ladegeschwindigkeiten durchgeführt, in weniger als einer Minute geladen, und wir haben nie Zellen aufgrund von Dendritenkurzschlüssen verloren.