Batterien aus Abfall

  • 13. October 2017

Flockiger Graphit als Kathode, Metall als Anode.

Lithium-Ionen-Akkus sind brennbar und der Preis für den Roh­stoff steigt. Gibt es Alter­nativen? Ja: Forscher der Eid­genös­sischen Material­prüfungs- und Forschungs­anstalt EMPA und der ETH Zürich haben viel­ver­sprechende Ansätze ent­deckt, wie man Batte­rien aus Abfall-Graphit und Schrott-Metallen her­stellen könnte. Ehr­geiziges Ziel des Teams ist es, einen Akku aus den am häufig­sten vor­kom­menden Elementen der Erd­kruste zu machen – zum Beispiel Magne­sium oder Alumi­nium. Diese Metalle bieten eine hohe Sicher­heit selbst dann, wenn die Anode aus reinem Metall besteht – was bei einer Lithium-Ionen-Batterie viel zu gefähr­lich wäre. Diese zusätz­liche Sicher­heits­marge bietet wiederum die Chance, die Batte­rien auf eine sehr ein­fache, preis­werte Art zusam­men­zu­bauen und die Pro­duk­tion schnell hoch­zu­skalieren.

Graphitflocken

Abb.: Grober Graphit ist ein Abfallprodukt aus der Stahlproduktion. Es könnte die Grundlage sein für preisgünstige, aufladbaren Batterien aus gut verfügbaren Rohstoffen – ein Ersatz für den Lithium-Ionen-Akku von heute. (Bild: EMPA / ETH Zürich)

Um eine solche Batterie zum Laufen zu bringen, muss die Elektro­lyt­flüssig­keit aus spezi­ellen Ionen bestehen, die bei Raum­tempe­ratur nicht kristal­li­sieren – also eine Art Schmelze bilden. In dieser kühlen Schmelze wandern die Metall­ionen, umrahmt von einer dicken Hülle aus Chlorid­ionen, zwischen Kathode und Anode hin und her. Alter­nativ dazu könnten große Anionen aus orga­nischen Chemi­ka­lien benutzt werden. Das bringt aber ein Problem mit sich: Wo sollen diese dicken Ionen hin, wenn die Batterie geladen wird? Zum Ver­gleich: Beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Kathode aus einem Metall­oxid, das die kleinen Lithium-Ionen während des Lade­vor­gangs auf­nehmen kann. Das funk­tio­niert bei solch großen Ionen nicht. Außer­dem sind die Ionen, um die es hier geht, negativ geladen, genau anders herum wie die Lithium-Ionen.

Das Team um Maksym Kovalenko löste das Problem mit einem Trick: Die Forscher stellten das Prinzip des Lithium-Ionen-Akkus auf den Kopf. Während im Lithium-Ionen-Akku die Anode aus Graphit besteht, wird bei der neuen Batterie Graphit als Kathode ein­ge­setzt. In den Zwischen­räumen lagern sich die dicken Anionen ein. Die Anode ist dagegen aus Metall.

Eine bemerkenswerte Entdeckung machte Team-Mitglied Kostiantyn Krav­chyk auf der Suche nach dem geeig­neten Graphit: Er fand heraus, dass Abfall-Graphit, der bei der Stahl­her­stel­lung anfällt, sehr gut als Kathoden­material funk­tio­niert. Auch natür­licher Graphit geht gut – wenn er in groben Flocken gelie­fert wird und nicht allzu fein ver­mahlen ist. Der Grund: Die Graphit­schichten liegen an den Bruch­kanten offen und die dicken Metall-Chlorid-Ionen können leichter in die Struktur hinein­schlüpfen. Dagegen eignet sich der fein ver­mahlene Graphit, der üblicher­weise in Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommt, kaum. Durch das Vermahlen der Graphitpartikel werden die Schichten geknickt. In diesen geknüllten Graphit können nur kleine Lithium-Ionen eindringen, die dicken Anionen der neuen Batterie dagegen nicht.

Die Graphit-Kathoden-Batterie, gebaut aus Abfallstoffen der Stahl­her­stel­lung oder aus rohen, natür­lichen Graphit-Flocken, hat also das Poten­zial, wirk­lich preis­günstig zu sein. Lang­lebig ist sie auch – darauf weisen jeden­falls erste Experi­mente hin. Über mehrere Monate über­stand ein Labor­system Tausende von Lade- und Ent­lade­zyklen. „Die Aluminium­chlorid-Graphit-Batterie könnte bei einem täg­lichen Einsatz in einem Haus jahr­zehnte­lang halten“, meint Kravchyk.

EMPA / RK

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