Forscher kommen in der alternativen Batterietechnologie wichtigen Schritt weiter

Neue Elektrolyte verbessern Eigenschaften der Calciumbatterie

Zhirong Zhao-Karger (links) und Zhenyou Li (rechts) gelang es, vielversprechende Elektrolyte für Calciumbatterien herzustellen. © Markus Breig/KIT

Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Helmholtz-Institut Ulm (HIU) haben eine wichtige Hürde genommen. Erstmals wurden Elektrolyte für Calciumbatterien mit brauchbaren Eigenschaften bei Raumtemperaturen entwickelt.

Batterien auf Basis von Calcium versprechen eine günstige Herstellung und ein hohe Energiedichte. Bei der Entwicklungsarbeit zur Calciumbatterie gab es bislang aber eine große Hürde. Im Gegensatz zur etablierten Lithium-Ionen-Technologie und der neueren Natrium- oder der Magnesium-Technologie existierten bislang keine praktikablen Elektrolyte, um wiederaufladbare Calciumbatterien herzustellen.

Experimentelle Elektrolyte und damit Prototypen der Calciumbatterie existieren erst seit wenigen Jahren. Sie ermöglichen  einen Ladevorgang erst bei Temperaturen jenseits der 75 Grad Celsius. Zudem sind sie anfällig für unerwünschte Nebenreaktionen, führen Zhenyou Li, Erstautor der Studie und Projektleiterin Zhirong Zhao-Karger aus. Beide arbeiten am KIT im Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence), das die Calciumbatterie im Rahmen von CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm and Karlsruhe) weiterentwickelt.

Lithium-Ionen-Batterien kommen an ihre Grenzen

Aber erst effiziente, große und kostengünstige Energiespeicher eröffnen die Möglichkeit einer flächendeckenden Umstellung auf emissionsfreie Mobilität und Stromversorgung. Die dominierende Lithium-Ionen-Technologie kann diese Aufgabe in globalem Maßstab nicht erfüllen, wie Professor Maximilian Fichtner vom KIT und Direktor der Forschungsplattform CELEST sagt. Das liegt daran, dass Lithium-Ionen-Batterien von ihrer Performance her und durch manche darin verwendete Rohstoffe mittelfristig an ihre Grenzen kommen. Sie könnten nicht überall dort eingesetzt werden, wo Energiespeicher im Rahmen der Energiewende sinnvoll wären. "Wir verfügen nur über begrenzte Vorkommen von Rohstoffen wie Kobalt, Nickel und Lithium, die für die Herstellung notwendig sind", sagt Fichtner.

Stattdessen setzen er und sein Team, das am HIU angesiedelt ist, auf alternative Batterietechnologien. Diese basieren auf Rohstoffen, die auf der Erde deutlich häufiger vorkommen. Das Element Calcium hält er dabei für einen vielversprechenden Kandidaten, da es zwei Elektronen pro Atom ab- und aufnehmen kann und eine ähnliche Spannung liefert wie Lithium: "Calcium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste. Es ist gleichmäßig auf der Erde verfügbar und bietet den Vorteil sicher, ungiftig und kostengünstig zu sein."

Suche nach geeignetem Elektrolyt

Jetzt gelang es den Forschern, eine Klasse neuer Elektrolyte auf Basis spezieller organischer Calciumsalze zu synthetisieren. Mit ihnen sind Ladevorgänge auch bei Zimmertemperatur möglich. Am Beispiel des neuen Elektrolyts Calciumtetrakisborat konnten sie nachweisen, dass Calciumbatterien mit hoher Energiedichte, Speicherkapazität und Schnellladefähigkeit möglich sind.

Die neue Elektrolytklasse schafft eine wichtige Grundlage, um Calciumbatterien aus dem Labor in die Anwendung zu führen. In Elektroautos, mobilen Elektronikgeräten und stationären Netzspeichern könnten sie die bislang dominierende Lithium-Ionen-Batterie ersetzen. Das kann laut Fichtner dauern: "Bis zur marktreifen Calciumbatterie haben wir noch einen weiten Weg vor uns." Quelle: KIT/al

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