Sauerstoff

Dec 06, 2023

Technische Universität Wien, Wien, Österreich

Lithium-Ionen-Batterien sind heute allgegenwärtig – vom Elektroauto bis zum Smartphone. Das heißt aber nicht, dass sie für alle Anwendungsbereiche die beste Lösung sind. Der TU Wien ist es nun gelungen, eine Sauerstoff-Ionen-Batterie zu entwickeln, die einige wichtige Vorteile mit sich bringt. Sie ermöglicht zwar nicht ganz so hohe Energiedichten wie die Li-Ionen-Batterie, ihre Speicherkapazität nimmt jedoch mit der Zeit nicht unwiderruflich ab: Sie kann regeneriert werden und ermöglicht so möglicherweise eine extrem lange Lebensdauer.

Darüber hinaus können Sauerstoff-Ionen-Batterien ohne seltene Elemente hergestellt werden und bestehen aus nicht brennbaren Materialien. Gemeinsam mit Kooperationspartnern aus Spanien wurde die neue Batterieidee bereits zum Patent angemeldet. Die Sauerstoff-Ionen-Batterie könnte eine hervorragende Lösung für große Energiespeichersysteme sein, beispielsweise um elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen zu speichern.

„Wir haben schon seit längerem viel Erfahrung mit keramischen Materialien, die für Brennstoffzellen verwendet werden können“, sagt Alexander Schmid vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. „Das brachte uns auf die Idee zu untersuchen, ob sich solche Materialien auch für die Herstellung einer Batterie eignen könnten.“

Die vom TU Wien-Team untersuchten keramischen Materialien können doppelt negativ geladene Sauerstoffionen aufnehmen und wieder abgeben. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung wandern die Sauerstoffionen von einem Keramikmaterial zum anderen und können anschließend wieder zurückwandern und so elektrischen Strom erzeugen.

„Das Grundprinzip ist tatsächlich dem der Lithium-Ionen-Batterie sehr ähnlich“, sagte Professor Jürgen Fleig. „Aber unsere Materialien haben einige wichtige Vorteile.“ Keramik ist nicht brennbar – Brandunfälle, wie sie bei Li-Ionen-Akkus immer wieder vorkommen, sind daher praktisch ausgeschlossen. Zudem entfällt der Bedarf an seltenen Elementen, die teuer sind oder nur auf umweltschädliche Weise gewonnen werden können.

„Insofern ist der Einsatz keramischer Materialien ein großer Vorteil, da sie sich sehr gut anpassen lassen“, sagt Tobias Huber. „Man kann bestimmte Elemente, die schwer zu beschaffen sind, relativ einfach durch andere ersetzen.“ Der Prototyp der Batterie verwendet noch Lanthan – ein Element, das nicht gerade selten, aber auch nicht völlig verbreitet ist. Aber auch Lanthan soll durch etwas Billigeres ersetzt werden, woran bereits geforscht wird. Auf Kobalt oder Nickel, die in vielen Batterien verwendet werden, wird gänzlich verzichtet.

Doch der vielleicht wichtigste Vorteil der neuen Batterietechnologie ist ihre potenzielle Langlebigkeit: „Bei vielen Batterien hat man das Problem, dass sich die Ladungsträger irgendwann nicht mehr bewegen können“, sagt Alexander Schmid. „Dann können sie nicht mehr zur Stromerzeugung genutzt werden, die Kapazität der Batterie lässt nach. Nach vielen Ladezyklen kann das zu einem ernsten Problem werden.“

Die Sauerstoff-Ionen-Batterie lässt sich jedoch problemlos regenerieren: Geht durch Nebenreaktionen Sauerstoff verloren, kann der Verlust einfach durch Sauerstoff aus der Umgebungsluft ausgeglichen werden.

Für Smartphones oder Elektroautos ist das neue Batteriekonzept nicht gedacht, denn die Sauerstoff-Ionen-Batterie erreicht nur etwa ein Drittel der Energiedichte, die man von Li-Ionen-Batterien gewohnt ist und läuft bei Temperaturen zwischen 200 °C und 400 °C . Für die Speicherung von Energie ist die Technologie jedoch äußerst interessant.

„Wenn Sie einen großen Energiespeicher benötigen, um beispielsweise Sonnen- oder Windenergie zwischenzuspeichern, könnte die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine hervorragende Lösung sein“, sagt Alexander Schmid. „Wenn man ein ganzes Gebäude voller Energiespeichermodule baut, spielen die geringere Energiedichte und die erhöhte Betriebstemperatur keine entscheidende Rolle. Doch dort würden die Stärken unserer Batterie besonders zum Tragen kommen: die lange Lebensdauer, die Möglichkeit, große Mengen zu produzieren.“ Mengen dieser Materialien ohne seltene Elemente und die Tatsache, dass bei diesen Batterien keine Brandgefahr besteht.“

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Florian Aigner unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; +43 158-801 x41027.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Battery & Electrification Technology Magazine.

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