Lithium-Ionen-Batterien sind heute allgegenwärtig, von Elektroautos bis hin zu Smartphones. Aber das bedeutet nicht, dass sie die beste Lösung für alle Anwendungsbereiche sind. Die TU Wien hat es nun geschafft, eine Sauerstoff-Ionen-Batterie zu entwickeln, die einige wichtige Vorteile hat. Obwohl sie nicht ganz so hohe Energiedichten wie die Lithium-Ionen-Batterie zulässt, nimmt ihre Speicherkapazität im Laufe der Zeit nicht unwiderruflich ab: Sie kann regeneriert werden und ermöglicht somit eine extrem lange Lebensdauer.
Darüber hinaus können Sauerstoff-Ionen-Batterien ohne seltene Elemente hergestellt werden und bestehen aus nicht brennbaren Materialien. Eine Patentanmeldung für die neue Batterieidee wurde bereits zusammen mit Kooperationspartnern aus Spanien eingereicht. Die Sauerstoff-Ionen-Batterie könnte eine hervorragende Lösung für große Energiespeichersysteme sein, um beispielsweise elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen zu speichern.
Keramikmaterialien als neue Lösung
„Wir haben schon seit einiger Zeit viel Erfahrung mit Keramikmaterialien, die für Brennstoffzellen verwendet werden können„, sagt Alexander Schmid vom Institut für Chemische Technologien und Analytik an der TU Wien. „Das gab uns die Idee, zu untersuchen, ob solche Materialien auch für die Herstellung einer Batterie geeignet sein könnten„.
Die Keramikmaterialien, die das TU Wien-Team untersucht hat, können doppelt negativ geladene Sauerstoff-Ionen aufnehmen und freisetzen. Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, wandern die Sauerstoff-Ionen von einem Keramikmaterial zum anderen und können dann wieder zurückwandern und so elektrischen Strom erzeugen.
„Das grundlegende Prinzip ist eigentlich sehr ähnlich wie bei der Lithium-Ionen-Batterie„, sagt Prof. Jürgen Fleig. „Aber unsere Materialien haben einige wichtige Vorteile„. Keramik ist nicht brennbar – daher sind Feuerunfälle, die immer wieder bei Lithium-Ionen-Batterien auftreten, praktisch ausgeschlossen. Außerdem sind keine seltenen Elemente erforderlich, die teuer sind oder nur auf umweltschädliche Weise gewonnen werden können.
„In dieser Hinsicht ist der Einsatz von Keramikmaterialien ein großer Vorteil, da sie sehr gut angepasst werden können„, sagt Tobias Huber. „Man kann bestimmte schwer zu beschaffende Elemente relativ einfach durch andere ersetzen„. Der Prototyp der Batterie verwendet noch Lanthan – ein Element, das nicht gerade selten, aber auch nicht vollständig üblich ist. Aber selbst Lanthan soll durch etwas Billigeres ersetzt werden, und die Forschung dazu läuft bereits. Kobalt oder Nickel, die in vielen Batterien verwendet werden, kommen überhaupt nicht zum Einsatz.
Hohe Lebensdauer
Aber vielleicht ist der wichtigste Vorteil der neuen Batterietechnologie ihre potenzielle Langlebigkeit: „Bei vielen Batterien besteht das Problem darin, dass die Ladungsträger irgendwann nicht mehr bewegt werden können„, sagt Alexander Schmid. „Dann können sie nicht mehr zur Stromerzeugung genutzt werden, die Kapazität der Batterie nimmt ab. Nach vielen Ladezyklen kann das zu einem ernsthaften Problem werden„.
Die Sauerstoff-Ionen-Batterie kann jedoch ohne Probleme regeneriert werden: Wenn aufgrund von Nebenreaktionen Sauerstoff verloren geht, kann der Verlust einfach durch Sauerstoff aus der Umgebungsluft ausgeglichen werden.
Das neue Batteriekonzept ist nicht für Smartphones oder Elektroautos gedacht, da die Sauerstoff-Ionen-Batterie nur etwa ein Drittel der Energiedichte erreicht, die man von Lithium-Ionen-Batterien gewohnt ist, und bei Temperaturen zwischen 200 und 400 °C arbeitet. Die Technologie ist jedoch äußerst interessant für die Speicherung von Energie.
„Wenn man eine große Energiespeichereinheit benötigt, um beispielsweise Solar- oder Windenergie vorübergehend zu speichern, könnte die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine hervorragende Lösung sein„, sagt Alexander Schmid. „Wenn man ein ganzes Gebäude mit Energiespeichermodulen konstruiert, spielen die geringere Energiedichte und die erhöhte Betriebstemperatur keine entscheidende Rolle. Aber die Stärken unserer Batterie wären dort besonders wichtig: die lange Lebensdauer, die Möglichkeit, große Mengen dieser Materialien ohne seltene Elemente herzustellen, und die Tatsache, dass bei diesen Batterien keine Brandgefahr besteht„.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Sauerstoff-Ionen-Batterie der TU Wien eine vielversprechende Lösung für die Speicherung von erneuerbarer Energie darstellt. Mit ihrer Langlebigkeit und der Verwendung von incombustible Materialien könnte sie einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten.
Mit freundlichen Grüßen
