Technologie : Wien: Wie eine neue Sauerstoff-Ionen-Batterie bei der Energiewende helfen soll

Überschüssigen Strom aus Sonnen- oder Windenergie zu speichern, um ihn dann abzurufen, wenn er gebraucht wird, ist einer der Schlüssel zur Energiewende. Da Lithium-Ionen-Batterien mit der Zeit an Speicherkapazität verlieren, wird nach Alternativen gesucht. Forscher aus Wien und Spanien haben eine solche entwickelt: eine Sauerstoff-Ionen-Batterie auf Keramikbasis. Sie stellten ihre Entwicklung kürzlich in der Fachzeitschrift "Advanced Energy Materials" vor.

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Neben dem Leistungsverlust über viele Lade- und Entladevorgänge sind es vor allem die seltenen, teuren, oft giftigen und oft unter katastrophalen Arbeitsbedingungen gewonnenen Materialien, die für den Bau von Lithium-Ionen-Batterien benötigt werden und die Technologie in einem schlechten Licht erscheinen lassen. So werden beispielsweise Kobalt, Nickel oder Mangan, die in den massenhaft in Elektroautos eingesetzten Batterien enthalten sind, oft unter fragwürdigen Bedingungen abgebaut.

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Auch die Herstellung einer solchen Batterie benötigt viel Energie. Das Recycling gestaltet sich oftmals schwierig. Eine zusätzliche Gefahr bei Lithium-Ionen-Akkus besteht darin, dass die Zellen durch Beschädigung, Überladung oder Überhitzung des Akkus reißen können. Dann kann es sehr schnell zu Bränden kommen. Weltweit forschen daher viele Wissenschaftler an anderen Batteriekonzepten.

Eine solche wurde nun von einem Team um Alexander Schmid und Jürgen Fleig vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der Technischen Universität (TU) Wien in Kooperation mit dem Catalonia Institute for Energy Research (IREC) in Barcelona vorgestellt. Die Technologie wurde mittlerweile zum Patent angemeldet. Das teilte die TU am Mittwoch in einer Aussendung mit.

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Das Wiener Team arbeitet schon seit einiger Zeit mit keramischen Materialien im Zusammenhang mit Brennstoffzellen. "Das brachte uns auf die Idee, zu untersuchen, ob solche Materialien vielleicht auch dafür geeignet wären, eine Batterie herzustellen", so Schmid. Das Prinzip unterscheidet sich kaum von dem der Lithium-Ionen-Batterien. Die keramischen Bauteile können negativ geladene Sauerstoffionen aufnehmen und wieder abgeben. Legt man eine elektrische Spannung an die Anordnung an, beginnen die Ionen von einem keramischen Material zum anderen zu wandern. Die Batterie lädt sich auf. Beim Entladen wandern die geladenen Sauerstoffatome wieder zurück und geben die gespeicherte Energie in Form von elektrischem Strom ab.

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Während man bei vielen Akkus das Problem hat, "dass sich die Ladungsträger irgendwann nicht mehr bewegen können" und damit die Leistung stark abnimmt, droht dieses Szenario laut Schmid bei der Sauerstoff-Ionen-Batterie nicht in vergleichbarem Ausmaß. Denn geht der Sauerstoff im Betrieb verloren, kann er einfach aus der Umgebungsluft entnommen werden und die Batterie regeneriert sich.

Durch die Verwendung von nicht brennbaren keramischen Materialien seien Brände ausgeschlossen, erklärte Fleig. Auch hinsichtlich der Umweltfreundlichkeit gebe es entscheidende Vorteile: In den Bauteilen könnten bestimmte Stoffe, die selten, teuer oder giftig sind, relativ einfach durch andere ersetzt werden. Im Prototyp verwenden die Forscher zwar noch das eher seltene Lanthan, aber es gibt bereits Überlegungen, dieses Element durch günstigere Alternativen zu ersetzen. Kobalt oder Nickel jedenfalls brauche man für das Konzept nicht, so die Wissenschaftler.

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Einen Haken hat die Entwicklung allerdings: Man kann damit nur etwa ein Drittel der Energie speichern, die eine Lithium-Ionen-Batterie gleicher Größe im Durchschnitt vorhält. Damit ist die Sauerstoff-Ionen-Batterie kein aussichtsreicher Kandidat als Energielieferant für Kleingeräte wie Smartphones. Großes Potenzial sehen die Forscher aber in Großanlagen, wo entsprechend große Module als Energiespeicher benötigt werden.

Das ist zum Beispiel dort der Fall, wo überschüssige Energie zwischengeparkt werden muss, die zum Beispiel in Windparks nachts bei viel Wind erzeugt wird, aber gerade nicht sofort gebraucht wird. "Wenn man ohnehin ein ganzes Gebäude mit Energiespeichermodulen baut, spielt die geringere Energiedichte keine entscheidende Rolle", sagt Schmid.