Ein chinesisch-österreichisches Forschungsteam zeigt im Fachblatt "Nature Catalysis", dass Alternativen zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien mehr Potenzial haben als bisher vielfach angenommen. Demnach gibt es bei vielversprechenden Lithium-Sauerstoff- und Lithium-Schwefel-Akkus einen Punkt, an dem sie hocheffizient be- und entladen werden können. Außerdem lässt sich mit kleinen Änderungen in der Elektrolytflüssigkeit die Effizienz weiter erhöhen.

Ein Problem mit Lithium-Ionen-Batterien, wie sie massenweise in Elektroautos eingesetzt werden, sind die dafür benötigten Materialien, erklärte der an der Arbeit beteiligte Stefan Freunberger vom Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg (NÖ). Kobalt, Nickel oder Mangan werden oft unter fragwürdigsten Bedingungen abgebaut, sind teuer und toxisch. Um eine Batterie mit diesen Zutaten herzustellen, braucht es viel Energie: "Pro Kilowattstunde Speicherkapazität einer Lithium-Ionen-Batterie muss man in der Produktion grob zwischen 350 und 400 Kilowattstunden hineinstecken." Schwierig gestaltet sich auch das Recycling.

Leicht verfügbare Materialien

Könnte man diese sogenannten Übergangsmetalle komplett weglassen und durch leicht verfügbare Materialien ersetzen, hätte das viele Vorteile. Freunberger forscht seit geraumer Zeit auch unterstützt durch Förderungen des Europäischen Forschungsrates (ERC) an Alternativen mit "Hauptgruppenelementen", wie Sauerstoff, Schwefel, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Mit solchen sehr leicht verfügbaren Elementen potente Energiespeicher zu bauen ist eines der Ziele.

Vor allem Sauerstoff und Schwefel statt Kobalt würden sich zum Batteriebau eignen. Während Kobaltoxid aber Ionen und Elektronen leitet, ist die Schwierigkeit bei aus Hauptgruppenelementen bestehenden Materialien, dass sie sehr oft Isolatoren sind. Die "selbstwidersprechende" Kunst liege also darin, stromleitende Systeme mit isolierenden Werkstoffen zu entwickeln. "Elektrochemie mit Isolatoren geht aber trotzdem", betonte der Wissenschafter. Dazu bettet man sie in einen flüssigen Elektrolyten "und muss den ganzen Ladungstransport durch die Flüssigkeit bewerkstelligen" – also eine Art Umleitung bauen, wie es Freunberger ausdrückte. Dies braucht geeignete Elektrokatalysatoren.

Schnelle Ladung

Optimal aufgebaute Elektrokatalysatoren mit Hauptgruppenelementen beschleunigen die ansonsten limitierende elektrochemische Reaktion bereits so weit, um Batterien damit in nur wenigen Minuten voll zu be- und entladen. Das zeigten Freunberger und Kollegen im vergangenen März im Fachmagazin "Nature Chemistry". Der limitierende Faktor sei hier eher der Ionentransport durch die Flüssigkeit.

Insgesamt gilt: Zieht man nur wenig Strom aus einer Batterie bleibt die Spannung in etwa konstant, je mehr man aber an dem System quasi zieht, desto rascher sinkt die Spannung derart, dass der Output kaum mehr etwas bewirkt. Das Ziel ist es, möglichst lange möglichst hohe Ströme herauszuholen, ohne dass die Spannung rasch verloren geht. Gleiches gilt in umgekehrter Weise: "Will man schneller laden, muss man mehr Spannung anlegen."

Wo hier die Limits jeweils liegen, ist in Bezug auf Lithium-Ionen-Batterien gut erforscht. Wie das aber bei alternativen Ansätzen aussieht, war hingegen bisher kaum verstanden. Das hat sich Freunbergers Team unter der Leitung von Wissenschaftern der Nanjing Tech University (China) nun genauer angesehen.

Ungewöhnlicher Effekt

Die Grundidee war auch für Batterien mit isolierenden Materialien mit Hauptgruppenelementen: "Je stärker man drückt, umso schneller geht es", erklärte der Forscher. "Wir sind jetzt aber draufgekommen, dass das eben nicht so ist." Stattdessen fand man einen Effekt, der der Intuition widerspricht: Hebt man nämlich die Spannung beim Laden über einen bestimmten Punkt, geht es tatsächlich langsamer als am Punkt der optimalen Ladespannung.

Das erkläre auch, warum verschiedene Wissenschafter in der Vergangenheit zu sehr unterschiedlichen Schätzungen zur Effizienz solcher Elektrokatalysatoren gekommen sind. Vielfach wurde deren Potenzial unterschätzt, weil in solchen Untersuchungen laut Freunberger teils viel zu hohe Spannungen angelegt wurden. Daher sei das Wissen über und die Möglichkeit der Vorhersage des optimalen Punktes eine "gute Nachricht" für das Forschungsfeld: "Man kann sehr viel schneller und mit viel weniger Energieverlust laden, wenn man weiß, wo man hin muss." Letztlich könne man auf Basis der neuen Arbeit auch darüber nachdenken, das Optimum noch weiter zu verschieben. Mit Änderungen bei der Elektrolytflüssigkeit könne überdies zusätzlich noch einiges bewirkt werden. (APA, red, 5.3.2022)