Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) entwickeln erstmals Elektrolyte für Calciumbatterien mit brauchbaren Eigenschaften bei Raumtemperatur.

Batterien auf Basis von Calcium versprechen eine günstige Herstellung und ein hohe Energiedichte. Diese Technologie aus dem Labor besitzt laut KIT das Potenzial, als Energiespeicher der Zukunft die Lithium-Ionen-Technologie abzulösen. Mit den bislang verfügbaren Elektrolyten gelang es aber nicht, Calciumbatterien bei Zimmertemperatur aufzuladen. Forscherinnen und Forscher des KIT haben nun in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science eine Elektrolytklasse vorgestellt, die das erstmals möglich macht.
 
Professor Maximilian Fichtner vom KIT, Direktor der Forschungsplattform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe), sagt: „Lithium-Ionen-Batterien kommen von ihrer Performance und manchen darin verwendeten Rohstoffen mittelfristig an ihre Grenzen und könnten dann nicht überall dort eingesetzt werden, wo in Rahmen der Energiewende Energiespeicher sinnvoll wären. Wir verfügen nur über begrenzte Vorkommen von Rohstoffen wie Kobalt, Nickel und Lithium, die für die Herstellung notwendig sind.“ Stattdessen setzen er und sein Team, das am vom KIT in Kooperation mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Institut Ulm (HIU) angesiedelt ist, auf alternative Batterietechnologien. Diese basieren auf Rohstoffen, die auf der Erde viel häufiger vorkommen. Das Element Calcium hält er dabei für einen vielversprechenden Kandidaten, da Calcium etwa im Gegensatz zu Lithium zwei Elektronen pro Atom ab- und aufnehmen kann und weil es 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
 
Doch bei der Entwicklungsarbeit zur Calciumbatterie gab es bislang eine große Hürde: Im Gegensatz zur etablierten Lithium-Ionen-Technologie oder auch der neueren Natrium- oder der Magnesium-Technologie existierten bislang keine praktikablen Elektrolyte, um wiederaufladbare Calciumbatterien herzustellen. „Erst seit wenigen Jahren existieren überhaupt experimentelle Elektrolyte und damit Prototypen der Calciumbatterie“, erklären Dr. Zhenyou Li, Erstautor der Studie und Dr. Zhirong Zhao-Karger, Projektleiterin, die beide im Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence) am KIT arbeiten, das die Calciumbatterie im Rahmen von CELEST weiterentwickelt. „Diese ermöglichen einen Ladevorgang aber erst bei Temperaturen jenseits der 75 Grad Celsius und sind dabei noch anfällig für unerwünschte Nebenreaktionen.“

Nun gelang es den Forschern, eine Klasse neuer Elektrolyte auf Basis spezieller, organischer Calciumsalze zu synthetisieren, mit denen Ladevorgänge auch bei Zimmertemperatur möglich sind. Am Beispiel des neuen Elektrolyts Calciumtetrakis[hexafluoroisopropyloxy]borat konnten die Forscher nun nachweisen, dass Calciumbatterien mit hoher Energiedichte, Speicherkapazität und Schnellladefähigkeit möglich sind.
 
Calciumbatterien als nachhaltige Energiespeicher
 
Bis Calciumbatterien in Elektroautos, mobilen Elektronikgeräten und stationären Netzspeichern eines Tages die bislang dominierende Lithium-Ionen-Batterie ersetzen, könnte es allerdings noch dauern: „Die neuen Elektrolyte sind ein erster wichtiger Schritt“, betont Fichtner. „Bis zur marktreifen Calciumbatterie haben wir noch einen weiten Weg vor uns.“
 
Ein Abstract der Originalpublikation findet sich hier.
10.10.2019 | Quelle:  | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH