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Aktuell  01.11.2017

Graphit und Natrium statt Lithium

Neue Materialien für Akkus lösen alte Probleme: Das Elektroauto kommt durch neue Entwicklungen immer näher an die Wirtschaftlichkeit.

Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben zusammen mit Experten der ETH Züric Ansätze entdeckt, wie sich Batterien aus Abfall-Graphit und Schrott-Metallen herstellen lassen. Dazu stellen die Wissenschaftler das Prinzip des Lithium-Ionen-Akkus auf den Kopf. Ein mögliches Endprodukt hätte den Entwicklern zufolge das Potenzial, wirklich preisgünstig zu und langlebig zu sein - darauf weisen jedenfalls erste Experimente hin.

Während im Lithium-Ionen-Akku die Anode, der Minuspol, aus Graphit besteht, wird bei der neukonzipierten Batterie der Gaphit als die Kathode (Pluspol) eingesetzt. In den Zwischenräumen lagern sich die dicken Anionen ein. Die Anode ist bei neuen Batterie dagegen aus Metall. Abfall-Graphit, der bei der Stahlherstellung anfällt und auch 'Kish-Graphit' heißt, so die Schweizer Fachleute, funktioniert sehr gut als Kathodenmaterial.

Auch natürlicher Graphit geht gut - wenn er in groben 'Flakes' geliefert wird und nicht allzu fein vermahlen ist. Der Grund: Die Graphitschichten liegen an den Bruchkanten offen und die dicken Metall-Chlorid-Ionen können leichter in die Struktur hineinschlüpfen. Dagegen eignet sich der fein vermahlene Graphit, der üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommt, für die neue Batterie kaum: Durch das Vermahlen der Graphitpartikel werden die Schichten geknickt wie in einer zerknüllten Papierkugel. In diesen geknüllten Graphit können nur kleine Lithium-Ionen eindringen, die dicken Anionen der neuen Batterie dagegen nicht.

Natrium statt Schrott?

Wissenschaftler an der Stanford University haben eine Batterie entwickelt, die bei industrieller Herstellung 80 Prozent weniger kostet als ein Lithium-Ionen-Modell gleicher Kapazität. Sie basiert auf Natrium, dem sechsthäufigsten Element in der Erdkruste. Chemieingenieur Zhenan Bao und die beiden Materialwissenschaftler Yi Cui und William Chueh nutzen Tafelsalz, auch als Natriumchlorid bekannt.

'Nichts übertrifft die Leistung von Lithium', gibt Bao zu. 'Aber Lithium ist so selten und teuer, dass wir uns gezwungen sahen, eine Hochleistungsbatterie zu niedrigen Kosten auf der Grundlage von Elementen zu entwickeln, die reichlich vorhanden sind.' Die Materialkosten machen, so der Forscher, ein Drittel des Preises von Batterien aus. Die Gewinnung von Lithium kostet 15.000 Dollar pro Tonne. Natrium sei schon für ein Hundertstel dieser Kosten zu haben.

Die Kathode der Stanford-Batterie besteht aus einer Verbindung von Natrium und Myo-Inositol. Das ist ein natürlich vorkommender Stoff, der in der Nahrung und im Stoffwechsel vorkommt. Er lässt sich kostengünstig herstellen. Die Anode ist eine Phosphorverbindung. Beim Entladen der Batterie fließen Elektronen zur Anode, wobei sie einen Umweg über einen Verbraucher machen, etwa eine Glühlampe. Beim Laden nehmen sie den umgekehrten Weg. Die Güte einer Batterie hängt davon ab, wie schnell dieser Austausch stattfindet.

Nachdem die Forscher die Kathode optimiert haben - unter anderem durch Untersuchungen am SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford, das mehrere Teilchenbeschleuniger betreibt, gehen sie jetzt daran, die Anode zu verbessern. 'Wir haben schon eine gute Batterie', sagt Cui. 'Aber wir sind sicher, dass wir sie durch Optimierung der Anode noch verbessern können.'

Der Nachteil von Natrium-Ionen-Batterien: Sie sind größer als Lithium-Ionen-Batterien mit gleicher Kapazität. Aus dem Grund sind sie für mobile Anwendungen ungeeignet. Für stationäre Einsätze sind sie dagegen ideal, weil sie Strom zu sehr geringen Kosten speichern. Der Platzbedarf ist in diesem Fall zweitrangig. Die Stanford-Forscher rechnen damit, dass in den nächsten Jahren gigantische Batterieparks aufgebaut werden müssen, um Solar- und Windstrom über dunkle beziehungsweise windstille Stunden hinwegzuretten.

pte/red

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#Forschung #Entwirklung #Akku


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