Einsatz als stationärer Stromspeicher: Bringt ein neuartiger Sauerstoff-Ionen-Akku die Energiewende voran?

Lithium-Ionen-Akkus sind quasi überall: Sie kommen unter anderem in Unterhaltungselektronik oder in Elektroautos. Allerdings haben diese Batterien so ihre Probleme: Sie haben nur eine begrenzte Kapazität und basieren auf Rohstoffen, die auf der Welt relativ knapp sind und unter problematischen Bedingungen gewonnen werden. Die Wissenschaft sucht deshalb schon länger nach Alternativen. Eine solche Alternative könnte eine neue Feststoffbatterie in Form einer Sauerstoff-Ionen-Batterie auf Basis von keramischen Oxiden darstellen. Zwar ist die Energiedichte dieser Batterien niedriger als die von Lithium-Ionen-Akkus, allerdings bringen sie verschiedene Eigenschaften mit sich, die sie nahezu ideal für den Einsatz als stationäre Stromspeicher machen.

Ähnliches Prinzip wie gängige Lithium-Ionen-Akkus

Die neuartige Dünnschicht-Feststoffbatterie, die von Forscher:innen der Technischen Universität Wien entwickelt wurde, nutzt keramische Metalloxide mit Perowskitstruktur als Elektroden. „Wir haben schon seit längerer Zeit Erfahrung mit keramischen Materialien gesammelt, die man für Brennstoffzellen verwenden kann. Das brachte uns auf die Idee, zu untersuchen, ob solche Materialien vielleicht auch dafür geeignet wären, eine Batterie herzustellen„, erklärt Alexander Schmid, Erstautor der Studie.

Zweifach negativ geladene Sauerstoff-Ionen ersetzen in der neu entwickelten Batterie die normalerweise verwendeten Lithium-Ionen als Ladungsträger. Wenn dann unter Luftabschluss eine Spannung angelegt wird, führt dies zu elektrochemischen Reaktionen, die diese Ionen von der einen Elektrode zu der anderen wandern lässt. Wird die Batterie entladen, findet dieser Prozess in umgekehrter Richtung statt. Was das Grundprinzip angeht, so ähnelt die Sauerstoff-Ionen-Batterie an und für sich dem Lithium-Ionen-Akku.

Die Feststoffbatterie setzt aus eine Kathode aus einer Perwoskit-Verbindung, die aus Lanthan, Eisenoxid und Strontium besteht. Die Anode ist aus Lanthan, Strontium, Mangan, Chrom und Sauerstoff. „Sie bestehen damit größtenteils aus häufig vorkommenden Elementen und können auf kritische Rohstoffe wie Lithium oder Kobalt völlig verzichten„, so die Forscher:innen.

Während im Prototyp mit Lanthan noch ein relativ teurer Rohstoff verwendet wird, gehen die Wissenschaftler:innen davon aus, dass dieses in Zukunft ersetzt werden kann. „In diesem Punkt ist die Verwendung von keramischen Materialien ein großer Vorteil, weil sie sehr gut angepasst werden können. Man kann relativ problemlos bestimmte Elemente, die nur schwer zu bekommen sind, durch andere ersetzen„, erläutert Koautor Tobias Huber. Für eine Verwendung in der Batterie muss das Material lediglich Leerstellen in seinem Kristallgitter besitzen, über die die Sauerstoff-Ionen aufgenommen und abgegeben werden können.

Weniger Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus, aber bessere Haltbarkeit

Der neuartige Akku erreichte in Tests eine Coloumb-Effizienz von mehr als 99 Prozent bei einer Energiedichte von 70 Milliwattstunden pro Kubikzentimeter, was etwa einem Drittel der Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus entspricht. Seine besten Leistungen erreichte der Akku bei 200 Grad – relativ hohen Temperaturen also, bei denen die meisten Akkus nicht mehr funktionieren.

Für den Einsatz in Smartphones oder Elektroautos ist dieses Batterie-Konzept somit nicht geeignet. Allerdings böte sich ein Einsatz als stationärer Energiespeicher, etwa für erneuerbare Energien, wiederum an. „Wenn man einen großen Energiespeicher benötigt, um Solar- oder Windenergie zwischenzuspeichern, wäre die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine hervorragende Lösung. Wenn man ohnehin ein ganzes Gebäude mit Energiespeicher-Modulen errichtet, spielt die geringere Energiedichte und erhöhte Betriebstemperatur keine entscheidende Rolle„, so Schmidt.

Gegenüber den gängigen Lithium-Ionen-Akkus hat die Sauerstoff-Ionen-Batterie deutliche Vorteile. Sie besteht nur aus festen, nicht brennbaren Oxiden und kann sich daher nicht entzünden, sodass Explosionen oder Brände wie sie bei Lithium-Ionen-Akkus nicht drohen. Zudem ist die Sauerstoff-Batterie deutlich langlebiger als Lithium-Ionen-Akkus. Diese beruht auf der Tatsache, dass die Ladungsträger der Batterie problemlos regeneriert werden können. Sollte Sauerstoff durch Nebenreaktionen verloren gehen, kann einfach Sauerstoff aus der Umgebungsluft als Ausgleich verwendet werden. Hierfür kann zeitweise eine dritte Elektrode angehängt werden, die Kontakt mit der Außenluft hat und Sauerstoff-Ionen produziert. So hat die Batterie eine relativ lange Lebensdauer im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien, bei denen die ionischen Ladungsträger nach und nach verlorengehen und sich ablagern.

Batterie für stationäre Stromspeicher

Die Forscher:innen gehen davon aus, dass die neue Sauerstoff-Ionen-Batterie für einige Anwendungsfälle wie etwa stationären Stromspeichern eine gute Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus darstellt. „Die Stärken unserer Batterie wären gerade dort besonders wichtig: Die lange Lebensdauer, die Möglichkeit, große Mengen dieser Materialien ohne seltene Elemente herzustellen, und die Tatsache, dass es bei diesen Batterien keine Brandgefahr gibt„, so Schmid.

Das neue Konzept ist bereits zum Patent angemeldet. Die Forscher:innen arbeiten außerdem parallel dazu an optimierten Varianten mit effizienteren keramischen Materialien als Elektronen. Nach ihren Schätzungen ließen sich so Energiedichten von bis zu 140 Milliwattstunden pro Kubikzentimetern und eine Leistung von zwölf Watt pro Kubikzentimeter erreichen.

via TU Wien