Wissenschaftler erfinden einen neuen Batterietyp

Von der TU Wien, 15. Mai 2023

Ein Prototyp der Batterie an der TU Wien. Bildnachweis: TU Wien

Forscher der TU Wien haben eine bahnbrechende Sauerstoff-Ionen-Batterie entwickelt, die sich durch außergewöhnliche Haltbarkeit auszeichnet, seltene Elemente überflüssig macht und das Problem der Brandgefahr löst.

Obwohl Lithium-Ionen-Batterien in der heutigen Welt weit verbreitet sind und alles von Elektrofahrzeugen bis hin zu Smartphones antreiben, sind sie nicht unbedingt die optimale Lösung für alle Anwendungen. Forschern der TU Wien ist mit der Entwicklung einer Sauerstoff-Ionen-Batterie ein Durchbruch gelungen, der mehrere wesentliche Vorteile bietet. Obwohl es möglicherweise nicht die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien erreicht, nimmt seine Speicherkapazität im Laufe der Zeit nicht irreversibel ab, sodass es eine außergewöhnlich lange Lebensdauer hat, da es regeneriert werden kann.

Darüber hinaus erfordert die Herstellung von Sauerstoff-Ionen-Batterien keine knappen Elemente und umfasst nicht brennbare Materialien. Das innovative Batteriekonzept hat bereits zu einer Patentanmeldung geführt, die gemeinsam mit Partnern in Spanien eingereicht wurde. Diese Sauerstoff-Ionen-Batterien könnten eine hervorragende Lösung für große Energiespeichersysteme darstellen, die beispielsweise zur Speicherung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen erforderlich sind.

„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.

Prof. Jürgen Fleig, Tobias Huber und Alexander Schmid (von links nach rechts). Bildnachweis: TU Wien

„Das Grundprinzip ist tatsächlich dem der Lithium-Ionen-Batterie sehr ähnlich“, sagt Prof. Jürgen Fleig. „Aber unsere Materialien haben einige wichtige Vorteile.“ Keramik ist nicht brennbar – Brandunfälle, wie sie bei Lithium-Ionen-Batterien 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 Lithium-Ionen-Batterien gewohnt ist und läuft bei Temperaturen zwischen 200 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.“

Referenz: „Rechargeable Oxide Ion Batteries Based on Mixed Conducting Oxide Electrodes“ von Alexander Schmid, Martin Krammer und Jürgen Fleig, 25. Januar 2023, Advanced Energy Materials.DOI: 10.1002/aenm.202203789