Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Super umweltfreundlich: die «Katzengold-Batterie»

16.11.2015

Hochleistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien haben ein Problem: Das Lithium wird irgendwann knapp, weil immer mehr Elektroautos und stationäre Speicherbatterien gebaut werden müssen. Nun haben Forscher der Empa und der ETH Zürich eine Alternative entdeckt: die «Katzengold-Batterie». Sie besteht aus Eisen, Schwefel, Natrium und Magnesium – Elemente, die in beliebig grossen Mengen verfügbar sind. Mit kleinem Geld liessen sich damit riesige, stationäre Speicherakkus innerhalb von Gebäuden oder neben Kraftwerken bauen.

Die Suche nach preisgünstigen Akkus zur Speicherung von Strom ist ein dringendes Geschäft: Immer mehr unregelmässig produzierter Ökostrom bringen das herkömmliche Stromnetz an die Belastungsgrenze.


Schlüssel zum Erfolg: Pryrit (Katzengold) als Kathodenmaterial

JJ Harrison/commons.wikimedia.org


Pyrit-Nanokristalle im Elektronenmikroskop: Aus solchen Kristallen besteht die Kathode der «Katzengold-Batterie»

Empa

So wächst der Bedarf an stationären Zwischenspeichern, die ans «smart grid» angeschlossen werden können. Auch die Zahl der Elektroautos, die schnell ihre Akkus laden müssen, wird zunehmen. Die bekannten, leistungsfähigen Li-Ionen-Akkus eigenen sich jedoch schlecht als stationäre Zwischenspeicher; dafür sind sie zu teuer und das wertvolle Lithium zu knapp.

Eine billige Alternative ist gefragt – ein Akku, der aus preiswerten, massenhaft verfügbaren Zutaten bestehen sollte. Doch Elektrochemie ist eine vertrackte Sache: Nicht alles, was billig ist, gibt einen Akku her.

Sicher, langlebig und günstig

Maksym Kovalenko, Marc Walter und ihren Kollegen im Labor für Dünnfilme und Photovoltaik der Empa gelang nun so etwas wie die Quadratur des Kreises: Kovalenkos Team kombiniert eine Magnesium-Anode mit einem Elektrolyten aus Magnesium- und Natriumionen.

Als Kathode dienen Nanokristalle aus Pyrit – landläufig bekannt als Katzengold. Pyrit ist kristallines Eisensulfid, bestehend aus Eisen und Schwefel. Die Natrium-Ionen aus dem Elektrolyten wandern beim Entladen in die Kathode. Beim Wiederaufladen gibt Pyrit die Natrium-Ionen wieder frei.

Diese so genannte Natrium-Magnesium-Hybrid-Batterie funktioniert bereits im Labor und vereint verschiedene Vorteile: Das Magnesium der Anode ist weit sicherer als das leicht brennbare Lithium. Und schon der Versuchsakku im Labor überstand 40 Lade- und Entladezyklen, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüssen – ein Ergebnis das zu weiterer Optimierung des Testsystems förmlich einlädt.

Der grösste Vorteil ist jedoch, dass alle Zutaten für diese Art Akku in beliebiger Menge und sehr preisgünstig zur Verfügung stehen: Eisensulfid-Nanokristalle lassen sich zum Beispiel herstellen, indem man metallisches Eisen mit Schwefel in herkömmlichen Kugelmühlen trocken vermahlt.

Eisen, Magnesium, Natrium und Schwefel sind die häufigsten chemischen Elemente ist in der Erdkruste und liegen an 4., 6., 7. und 15. Stelle. Ein Kilogramm Magnesium kostet daher weniger als vier Franken und ist damit 15-mal billiger als Lithium. Auch beim Bau der Billig-Akkus lässt sich sparen: Li-Ionen-Akkus brauchen relativ teure Kupferfolien, um den Strom zu sammeln und abzuleiten. Bei der «Katzengold-Batterie» würde preisgünstige Alufolie genügen.

Potential, um eine Jahresproduktion Strom des Kraftwerks Leibstadt zwischenzuspeichern

Die Forscher sehen in ihrer Entwicklung vor allem Potential für grosse Netzspeicherbatterien. Zwar eigne sich die Katzengold-Batterie nicht für Elektroautos – dafür ist ihre Leistung zu gering. Dort aber, wo es auf Kosten, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit ankommt, sei die Technik im Vorteil.

In ihrer vor kurzem veröffentlichten Publikation im Fachjournal «Chemistry of Materials» schlagen die Empa-Forscher Batteriespeicher mit einer Kapazität von Terawattstunden vor. In einem solchen Akku liesse sich beispielsweise die Jahresproduktion des Schweizer Atomkraftwerks Leibstadt zwischenspeichern.

«Noch ist das volle Potential der Batterie nicht ausgeschöpft», sagt Maksym Kovalenko, der parallel zu seiner Forschung an der Empa als Professor am Departement Chemie und angewandte Biowissenschaften der ETH Zürich lehrt. «Mit Hilfe weiterentwickelter Elektrolyten lässt sich die elektrische Spannung und die Lebensdauer der Natrium-Magnesium Hybrid-Zelle mit Sicherheit noch erhöhen.»

Er fügt hinzu: «Nun suchen wir nach Investoren, die unsere Forschung auf dem Weg ins Nach-Lithium-Zeitalter unterstützen und solch zukunftsweisende Technologie auf den Markt bringen wollen.»

Weitere Informationen:

http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/162501/---/l=1
http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemmater.5b03531

Rainer Klose | EMPA
Weitere Informationen:
http://www.empa.ch

Weitere Berichte zu: Akku Akkus Eisen Empa Kathode Lithium Magnesium Natrium-Ionen Schwefel Strom elektrische Spannung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht TU Ilmenau erforscht innovative mikrooptische Bauelemente für neuartige Anwendungen
21.09.2017 | Technische Universität Ilmenau

nachricht Bald bessere Akkus?
21.09.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie