Empa und ETH Zürich
»Katzengold«-Batterie
Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und der ETH Zürich haben eine »Katzengold-Batterie« entwickelt, die mit preiswertesten Elementen wie Eisen, Schwefel, Natrium und Magnesium auskommt. Der »Flaschenhals« Lithium-Vorkommen wäre damit überwunden.
Die Knappheit und Preisentwicklung von Lithium versieht die Zukunft von Lithium-Ionen-Batterien mit einem großen Fragezeichen. Gesucht sind Batterien, die mit preiswertesten, leicht verfügbaren Materialien auskommen. Dies ist Maksym Kovalenko, Marc Walter und ihren Kollegen im Labor für Dünnfilme und Photovoltaik der Empa gelungen. Sie kombinierten eine Magnesium-Anode mit einem Elektrolyten aus Magnesium- und Natriumionen.
Als Kathode dienen Nanokristalle aus Pyrit – landläufig bekannt als Katzengold, englisch »Foolsgold«. Pyrit ist kristallines Eisensulfid, bestehend aus Eisen und Schwefel. Die Natrium-Ionen aus dem Elektrolyten wandern beim Entladen in die Kathode. Das Pyrit gibt die Natrium-Ionen beim Wiederaufladen frei. Neben dem Preisvorteil überzeugt beim Magnesium als Anodensubstanz gegenüber dem leicht brennbaren Lithium dessen Sicherheit.
Bislang hat der Versuchsakku 40 Lade- und Entladezyklen überstanden, ohne an Leistungsfähigkeit zu verlieren. Jetzt soll das System weiter optimiert werden. Für die Elektromobilität ist die Energiedichte der Batterie zu gering. Allerdings schlugen die Forscher im Journal »Chemistry of Materials« vor, Batteriespeicher mit Terawattstunden-Kapazität zu bauen, mit der sich etwa die Jahresproduktion eines Kraftwerkes speichern ließe.
Eisensulfid-Nanokristalle sind leicht herstellbar, indem metallisches Eisen mit Schwefel in herkömmlichen Kugelmühlen trocken vermahlen wird. Eisen, Magnesium, Natrium und Schwefel sind die häufigsten chemischen Elemente in der Erdkruste. Ein Kilogramm Magnesium kostet etwa 3,70 Euro und ist damit ca. 15-mal billiger als Lithium. Zudem benötigen die Katzengold-Akkumulatoren nur preiswerte Alufolie um den Strom zu sammeln und abzuleiten, während Lithium-Ionen-Batterien relativ teure Kupferfolien benötigen.
»Noch ist das volle Potential der Batterie nicht ausgeschöpft«, sagt Maksym Kovalenko, der parallel zu seiner Forschung an der Empa als Professor am Departement Chemie und angewandte Biowissenschaften der ETH Zürich lehrt. »Mit Hilfe weiterentwickelter Elektrolyten lässt sich die elektrische Spannung und die Lebensdauer der Natrium-Magnesium Hybrid-Zelle mit Sicherheit noch erhöhen.« Er fügt hinzu: »Nun suchen wir nach Investoren, die unsere Forschung auf dem Weg ins Nach-Lithium-Zeitalter unterstützen und solch zukunftsweisende Technologie auf den Markt bringen wollen.«
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