Eine bessere Batterie herstellen
Von Haushaltsgeräten bis hin zu intelligenten Geräten, Fahrzeugen und sogar Flugzeugen – die Welt setzt zunehmend auf den elektrischen Betrieb. Dieser Wandel wird von wiederaufladbaren Batterien, besonders von Lithium-Ionen-Batterien, angetrieben. Zwar machen Lithium-Ionen-Batterien tragbare elektronische Geräte sowie nachhaltige Beförderungsarten, verbesserte Speicherungskapazitäten und eine vielseitigere Verwendung erneuerbarer Energien möglich, dennoch sind sie mit bestimmten Einschränkungen verbunden. Zum Beispiel verwenden viele Lithium-Ionen-Batterien wertvolle Rohstoffe wie Kobalt und Nickel, die erheblichen Preisschwankungen unterliegen können. Die Gewinnung dieser Rohstoffe kann der Umwelt und den Menschen schaden. Darüber hinaus erreichen Lithium-Ionen-Batterien in puncto Energiedichte allmählich ihre Grenzen – was uns daran hindern könnte, „alles zu elektrifizieren“. All diese Faktoren bedeuten, dass nachhaltigere – und leistungsstärkere – Batterielösungen dringend erforderlich sind. Das EU-finanzierte Projekt CARBAT, das der Entwicklung metallbasierter Calcium-Batterie-Technologien gewidmet ist, trägt dazu bei, diesem Bedarf nachzukommen. „Batterien auf der Grundlage von Calcium haben das Potenzial, bei der Energiedichte und Sicherheit im Vergleich zum aktuellen Stand der Lithium-Ionen-Batterietechnologie einen erheblichen Sprung nach vorne zu machen“, so María Rosa Palacín, Forschungsprofessorin am Institut für Materialwissenschaft in Barcelona (ICMAB-CSIC), die das Projekt koordinierte. „Metallbasierte Calcium-Batterien sind besonders attraktiv, da Calcium zu den häufigsten Elementen der Erdkruste gehört und als Calcium-Metallanode in Kombination mit einer breiten Palette recht gewöhnlicher Elektrolyte genutzt werden kann“, fügt Patrik Johansson hinzu, Professor an der Technischen Hochschule Chalmers, die ebenfalls am Projekt beteiligt war. Weitere Partnereinrichtungen sind u. a. die Universität Complutense Madrid (Website auf Spanisch) und das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie.
Der Weg zu einem Konzeptnachweis
Das Projekt CARBAT zielte darauf ab, einen Konzeptnachweis einer wiederaufladbaren Batteriezelle mit Calcium-Metallanode vorzulegen, die über eine wesentlich höhere Energiedichte verfügt, als heutige Lithium-Ionen-Batterien bieten können. Das Projekt setzte dafür eine Kombination aus computergestütztem Design und Fachwissen aus der Materialwissenschaft, Elektrochemie und Batterietechnik ein. Ausgangspunkt des Projekts war eine rechnergestützte Vorauswahl der relevantesten Stoffe, die dann jeweils bezüglich ihrer elektrochemischen Leistung auf Herz und Nieren geprüft wurden. „Durch die rechnergestützte Vorauswahl konnten wir bestimmte anorganische Stoffe ausmachen, die für die Verwendung als positive Elektroden geeignet sind“, erklärt Palacín. „Schließlich zeigten einige dieser Materialien erste interessante Leistungen und mit demselben Ansatz entdeckten wir auch vielversprechende neue Elektrolytformulierungen.“ Daraufhin wurden Zellen im Labor gebaut, erprobt, validiert und mit dem Stand der Lithium-Ionen-Batterietechnik hinsichtlich wichtiger Leistungs- und Nachhaltigkeitskenngrößen verglichen.
Eine wichtige Grundlage
Dank dieser Arbeit verfügen die Forschenden des Projekts nun über ein grundlegendes Verständnis der entsprechenden Mechanismen und der Leistung, zu der diese neuen Werkstoffe imstande sind. „Herauszufinden, wie Calcium als Anode verwendet werden kann, ist ein bedeutender Schritt auf dem Weg, Batterien mit äußerst hohen Energiedichten erschaffen zu können“, merkt Johansson an. „Diese Arbeit bildet das Fundament, auf das wir hoffentlich aufbauen können, um eine metallbasierte Calcium-Batterie mit besserer Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit zu konstruieren“, fügt Palacín hinzu. „Das könnte womöglich der weitläufigen Verwendung erneuerbarer Energien den Weg ebnen.“ Das Forschungsteam setzt seine Arbeit an den Elektroden und Elektrolyten fort und verbessert gleichzeitig den Technologie-Reifegrad des Konzepts.
Schlüsselbegriffe
CARBAT, Batterie, Batterien, metallbasierte Calcium-Batterien, nachhaltig, Lithium-Ionen-Batterien, wiederaufladbare Batterien, elektronische Geräte, erneuerbare Energie, Kobalt, Nickel
