Ohne Kobalt und Lithium
Batterie auf Wasserbasis: Forscher finden Unterschiede von 1.000 Prozent
Egal, ob Smartwatch, Laptop oder E-Auto, sie alle benötigen eine Batterie und damit seltene Erden. Ein Team aus Texas will das ändern – und löst damit gleich drei weitere Probleme herkömmlicher Lithium-Batterien.
Für Batterien werden viele Stoffe getestet.
Foto: iStock
Eine Batterie, die nicht brennen kann? Das klingt nicht nur verlockend, es könnte bald auch zur Realität werden. Möglich machen dies Forscher von der Texas A&M University, die eine metallfreie Batterie mit wasserbasierten Elektroden entwickeln. Ihre Forschung deckte „1.000-prozentige Unterschiede“ hinsichtlich der Speicherkapazität auf.
Mit der Erforschung von metallfreien Batterien versprechen sich die Forscher aber auch eine einheimische und damit zuverlässigere Produktion. Denn Hersteller wären nicht mehr von den seltenen Rohstoffen Kobalt und Lithium abhängig, die erst importiert werden müssen. Neben der höheren Speicherkapazität gibt es einen weiteren Vorteil für die Nutzer der neuartigen Batterien: „Es gäbe keine Batteriebrände mehr, da sie auf Wasserbasis hergestellt werden“, erklärt Dr. Jodie Lutkenhaus, Professorin für Chemieingenieurwesen.
„Wenn es in Zukunft eine Materialknappheit geben sollte, wird der Preis für Lithium-Ionen-Batterien stark ansteigen. Wenn wir diese alternative Batterie haben, können wir uns dieser Chemie zuwenden, bei der die Versorgung viel stabiler ist, weil wir sie [in den USA] herstellen können und die Materialien zur Herstellung hier vorhanden sind“, so Lutkenhaus weiter.
Das Salz in der Batterie
Laut den Forschern bestehen bei der neuartigen Batterie sowohl Kathode als auch Anode aus Polymeren. Der Elektrolyt ist dagegen Wasser, das mit organischen Salzen gemischt ist. Dieser ist durch seine Wechselwirkung mit der Elektrode der Schlüssel zur Ionenleitung und Energiespeicherung.
Die vielversprechenden Kandidaten seien sogenannte redoxaktive, nicht konjugierte radikalische Polymere. Die dahinter stehende chemische Reaktion ist komplex und wegen des gleichzeitigen Transfers von Elektronen, Ionen und Wassermolekülen schwer aufzulösen. Mit einfachen Worten: Die neuen Batterien können hohe Leistungen abgeben und zügig geladen werden.
Allerdings gibt es dabei ein Problem. Aufgrund des Wassers können sich die Elektroden während des Betriebs verändern, sie quellen auf wie ein Samenkorn. „Wenn sich eine Elektrode während des Zyklus zu sehr verändert, kann sie die Elektronen nicht mehr gut leiten, und die gesamte Leistung geht verloren“, so Lutkenhaus. „Ich glaube, dass die Energiespeicherkapazität je nach Wahl des Elektrolyten aufgrund von Quellungseffekten um Faktor zehn variieren kann.“
Lithium ade?
Dr. Daniel Tabor, Assistenzprofessor für Chemie, versuchte dies vorab zu simulieren und die Auswahl der Elektrolyten einzuschränken. „Theorie und Experiment arbeiten oft eng zusammen. Eines der neuen Dinge in unserer Arbeit war, dass wir die Elektrode tatsächlich in verschiedene Ladungszustände versetzt haben. Anschließend sahen wir, wie die Umgebung auf diese Aufladung reagiert“, so Tabor.
Dabei konnten die Forscher auch beobachten, ob bestimmte Salze besser funktionieren als andere und welches Wasser-Salz-Mischungsverhältnis das beste Ergebnis lieferte. All dieses Wissen nutzen Sie, um ihre Simulationen zu verbessern und mögliche neue Elektrodenmaterialien und Elektrolyte aufzuspüren.
„Mit dieser neuen Technologie sind wir einen Schritt näher an lithiumfreien Batterien. Wir haben mit unserer Forschung nun ein besseres Bild auf molekularer Ebene und wissen, wo wir bei der Materialentwicklung ansetzen müssen“, so Tabor abschließend.
Die Studie erschien am 27. März 2023 in der Fachzeitschrift „Nature Materials“.
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