Natrium und Magnesium statt Lithium für Akkus

Bern (pte023/02.05.2017/11:30) - Natrium- und Magnesium-Batterien könnten die Lithiumionen-Batterie eines Tages ablösen, wie Wissenschaftler in einem vom Schweizerischen Nationalfonds http://snf.ch geförderten Projekt ermittelt haben. Die Experten haben erstmals neue Materialien für wiederaufladbare Batterien entwickelt.

Wärme als Knackpunkt

Arndt Remhof und das Forscherteam von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa http://empa.ch belegen, dass Natrium und Magnesium für die Entwicklung neuer, reiner Feststofftechnologien geeignet sind. Sein Team hat Testzellen basierend auf den beiden Metallen entworfen. Für die Speicherzellen werden Festelektrolyte eingesetzt. Dies ist äußerst anspruchsvoll, denn die Ionen - ob Lithium, Natrium oder Magnesium - müssen sich in diesem festen Umfeld bewegen können.

Indem die (positiv geladenen) Ionen im Akku von einem Pol zum anderen wandern, ermöglichen sie die Bewegung der (negativ geladenen) Elektronen und erzeugen somit Strom. Um die Mobilität der Ionen zu gewährleisten, entwickelten die Forschenden feste Elektrolyten, die eine kristalline chemische Struktur aufweisen. Der neuentwickelte Festelektrolyt gewährleistet die Mobilität der Natriumionen ab 20 Grad Celsius.

Dieser Aspekt ist von zentraler Bedeutung: Ionen brauchen Wärme, um wandern zu können. Diese Reaktion bereits bei Raumtemperatur auszulösen, ist eine enorme technische Herausforderung. Der Elektrolyt ist zudem nicht brennbar und bleibt bis 300 Grad chemisch stabil, was ihn besonders sicher macht. An der Universität Genf wurde parallel dazu bereits eine preiswertere Technik für die Herstellung des neuen Festelektrolyten entwickelt.

Prototyp lässt auf sich warten

Als eine der beiden Komponenten von Kochsalz ist Natrium - im Gegensatz zu Lithium - nahezu unbegrenzt verfügbar. "Die Verfügbarkeit ist unser stichhaltigstes Argument", sagt der Erstautor der Forschungsarbeit, Léo Duchêne von der Empa. Allerdings speichert Natrium bei gleichem Gewicht weniger Energie als Lithium. Es dient daher als ideale Alternative, wenn die Grösse des Speichermediums für die Anwendung unerheblich ist.

Auch ein Festelektrolyt für Magnesium ist umgesetzt worden: Magnesium in Bewegung zu versetzen, ist schwierig, aber umso interessanter: Es ist leicht, in großen Mengen verfügbar und kann nicht explodieren. Was noch wichtiger ist: Magnesiumionen sind zweifach positiv geladen, Lithiumionen dagegen nur einfach. In der Praxis bedeutet dies, dass Magnesium bei gleichem Volumen fast die doppelte Energiemenge speichern kann.

Einige der getesteten Elektrolyte haben Magnesiumionen bereits in Bewegung versetzt, allerdings erst bei Temperaturen über 400 Grad. Der Elektrolyt der Schweizer Forschenden erreicht eine vergleichbare Leitfähigkeit bereits bei 70 Grad. "Von einem kompletten, funktionstüchtigen Prototypen sind wir noch weit entfernt, aber wir haben einen ersten, wichtigen Schritt in die richtige Richtung gemacht", schränken die Wissenschaftler ihre Entwicklung ein. Derzeit stehe erst einmal eine Machbarkeitsstudie im Vordergrund.

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