Batterien aus Katzengold

Hoch­leistungs­fähige Lithium-Ionen-Batterien haben ein Problem: Das Lithium wird irgend­wann knapp, weil immer mehr Elektro­autos und stationäre Speicher­batterien gebaut werden müssen. Nun haben Forscher der Empa und der ETH Zürich eine Alter­native entdeckt: die „Katzen­gold-Batterie“. Sie besteht aus Eisen, Schwefel, Natrium und Magnesium – Elemente, die in beliebig großen Mengen verfüg­bar sind. Mit kleinem Geld ließen sich damit riesige, stationäre Speicher­akkus innerhalb von Gebäuden oder neben Kraft­werken bauen.

Die Suche nach preis­günstigen Akkus zur Speicherung von Strom ist ein dringendes Geschäft: Immer mehr unregel­mäßig produzierter Öko­strom bringen das her­kömm­liche Strom­netz an die Belastungs­grenze. So wächst der Bedarf an stationären Zwischen­speichern, die ans „smart grid“ an­ge­schlossen werden können. Auch die Zahl der Elektro­autos, die schnell ihre Akkus laden müssen, wird zunehmen. Die bekannten, leistungs­fähigen Li-Ionen-Akkus eigenen sich jedoch schlecht als stationäre Zwischen­speicher; dafür sind sie zu teuer und das wert­volle Lithium zu knapp. Eine billige Alter­native ist gefragt – ein Akku, der aus preis­werten, massen­haft verfüg­baren Zutaten bestehen sollte. Doch Elektro­chemie ist eine vertrackte Sache: Nicht alles, was billig ist, gibt einen Akku her.

Maksym Kovalenko und seinen Kollegen im Labor für Dünnfilme und Photo­voltaik der Empa gelang nun so etwas wie die Quadratur des Kreises: Kovalenkos Team kombiniert eine Magnesium-Anode mit einem Elektrolyten aus Magnesium- und Natrium­ionen. Als Kathode dienen Nano­kristalle aus Pyrit – landläufig bekannt als Katzen­gold. Pyrit ist kristallines Eisen­sulfid, bestehend aus Eisen und Schwefel. Die Natrium-Ionen aus dem Elektro­lyten wandern beim Entladen in die Kathode. Beim Wieder­auf­laden gibt Pyrit die Natrium-Ionen wieder frei. Diese Natrium-Magnesium-Hybrid-Batterie funktioniert bereits im Labor und vereint verschiedene Vor­teile: Das Magnesium der Anode ist weit sicherer als das leicht brennbare Lithium. Und schon der Versuchs­akku im Labor überstand 40 Lade- und Entlade­zyklen, ohne an Leistungs­fähigkeit einzubüßen – ein Ergebnis, das zu weiterer Opti­mierung des Test­systems förm­lich einlädt.

Der größte Vorteil ist jedoch, dass alle Zutaten für diese Art Akku in beliebiger Menge und sehr preisgünstig zur Verfügung stehen: Eisen­sulfid-Nano­kristalle lassen sich zum Beispiel her­stellen, indem man metallisches Eisen mit Schwefel in her­kömmlichen Kugel­mühlen trocken vermahlt. Eisen, Magnesium, Natrium und Schwefel sind die häufigsten chemischen Elemente in der Erdkruste. Ein Kilo­gramm Magnesium kostet daher weniger als vier Euro und ist damit 15-mal billiger als Lithium. Auch beim Bau der Billig-Akkus lässt sich sparen: Li-Ionen-Akkus brauchen relativ teure Kupfer­folien, um den Strom zu sammeln und abzuleiten. Bei der „Katzen­gold-Batterie“ würde preis­günstige Alu­folie genügen.

Die Forscher sehen in ihrer Ent­wicklung vor allem Poten­tial für große Netz­speicher­batterien. Zwar eigne sich die Katzen­gold-Batterie nicht für Elektro­autos – dafür ist ihre Leistung zu gering. Dort aber, wo es auf Kosten, Sicherheit und Umwelt­freundlich­keit ankommt, sei die Technik im Vorteil. In ihrer vor kurzem veröffent­lichten Publikation schlagen die Empa-Forscher Batterie­speicher mit einer Kapazität von Tera­watt­stunden vor. In einem solchen Akku ließe sich bei­spiels­weise die Jahres­produktion des Schweizer Atom­kraftwerks Leib­stadt zwischen­speichern. „Noch ist das volle Potential der Batterie nicht aus­ge­schöpft“, sagt Kovalenko. „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.

Empa / SK