Neues Konzept für preisgünstige Batterien

Jetzt haben Forscher am MIT und anderswo eine neue Art von Batterie entwickelt, die vollständig aus reichlich vorhandenen und preiswerten Materialien besteht und dazu beitragen könnte, diese Lücke zu schließen.

Die neue Batteriearchitektur, die Aluminium und Schwefel als zwei Elektrodenmaterialien mit einem geschmolzenen Salzelektrolyten dazwischen verwendet, wird in der Fachzeitschrift Nature in einem Artikel von MIT-Professor Donald Sadoway und 15 weiteren Forschern am MIT und in China, Kanada, Kentucky und Tennessee beschrieben.

"Ich wollte etwas erfinden, das besser, viel besser ist als Lithium-Ionen-Batterien für kleine stationäre Speicher und schließlich auch für Kraftfahrzeuge", erklärt Sadoway, der emeritierte John F. Elliott Professor für Materialchemie.

Lithium-Ionen-Batterien sind nicht nur teuer, sondern enthalten auch einen entflammbaren Elektrolyten, was sie für den Transport nicht gerade ideal macht. Also begann Sadoway, das Periodensystem zu studieren und nach billigen, auf der Erde reichlich vorhandenen Metallen zu suchen, die Lithium ersetzen könnten. Das kommerziell dominierende Metall, Eisen, hat nicht die richtigen elektrochemischen Eigenschaften für eine effiziente Batterie, sagt er. Das zweithäufigste Metall auf dem Markt - und eigentlich das am häufigsten vorkommende Metall auf der Erde - ist jedoch Aluminium. Also habe ich gesagt: "Na gut, dann machen wir das einfach als Buchstütze. Es wird Aluminium sein", sagt er.

Dann musste ich entscheiden, womit ich das Aluminium für die andere Elektrode kombinieren wollte und welche Art von Elektrolyt dazwischen liegen sollte, um die Ionen beim Laden und Entladen hin und her zu transportieren. Das billigste aller Nichtmetalle ist Schwefel, und so wurde es zum zweiten Elektrodenmaterial. Als Elektrolyt wollten wir nicht die flüchtigen, entflammbaren organischen Flüssigkeiten verwenden", die manchmal zu gefährlichen Bränden in Autos und anderen Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien geführt haben, sagt Sadoway. Man versuchte es mit einigen Polymeren, entschied sich dann aber für eine Reihe von geschmolzenen Salzen, die einen relativ niedrigen Schmelzpunkt haben - nahe dem Siedepunkt von Wasser, im Gegensatz zu fast 1.000 Grad Celsius bei vielen Salzen. "Sobald man in die Nähe der Körpertemperatur kommt, wird es praktisch", um Batterien herzustellen, die keine besondere Isolierung und Korrosionsschutzmaßnahmen erfordern, sagt er.

Die drei Zutaten, die sie gefunden haben, sind billig und leicht erhältlich: Aluminium, das sich nicht von der Folie im Supermarkt unterscheidet, Schwefel, der häufig als Abfallprodukt bei Prozessen wie der Erdölraffination anfällt, und weit verbreitete Salze. "Die Zutaten sind billig, und die Sache ist sicher - sie kann nicht brennen", sagt Sadoway.

In ihren Experimenten zeigte das Team, dass die Batteriezellen Hunderte von Zyklen bei außergewöhnlich hohen Ladegeschwindigkeiten aushalten können, wobei die Kosten pro Zelle nur etwa ein Sechstel der Kosten vergleichbarer Lithium-Ionen-Zellen betragen sollen. Sie zeigten, dass die Ladegeschwindigkeit stark von der Arbeitstemperatur abhängt, wobei 110 Grad Celsius (230 Grad Fahrenheit) 25-mal schnellere Raten als 25 C (77 F) ergeben.

Überraschenderweise erwies sich das geschmolzene Salz, das das Team nur wegen seines niedrigen Schmelzpunkts als Elektrolyt wählte, als vorteilhaft. Eines der größten Probleme bei der Zuverlässigkeit von Batterien ist die Bildung von Dendriten, d. h. schmalen Metallspitzen, die sich auf einer Elektrode ansammeln und schließlich auf die andere Elektrode übergreifen, was einen Kurzschluss verursacht und die Effizienz beeinträchtigt. Dieses spezielle Salz ist jedoch sehr gut in der Lage, diese Fehlfunktion zu verhindern.

Das von ihnen gewählte Chloraluminatsalz "verhindert im Wesentlichen die Entstehung von Dendriten und ermöglicht gleichzeitig eine sehr schnelle Aufladung", sagt Sadoway. "Wir haben Experimente mit sehr hohen Ladegeschwindigkeiten durchgeführt und in weniger als einer Minute aufgeladen, und wir haben nie Zellen aufgrund von Dendritenkurzschlüssen verloren.

"Es ist schon komisch", sagt er, denn der ganze Fokus lag darauf, ein Salz mit dem niedrigsten Schmelzpunkt zu finden, aber die verketteten Chloraluminate, die sie schließlich fanden, erwiesen sich als resistent gegen das Kurzschlussproblem. "Hätten wir zu Beginn versucht, dendritische Kurzschlüsse zu verhindern, wäre ich mir nicht sicher, ob ich gewusst hätte, wie ich das angehen sollte", sagt Sadoway. "Ich denke, es war ein Glücksfall für uns."

Darüber hinaus benötigt die Batterie keine externe Wärmequelle, um ihre Betriebstemperatur zu halten. Die Wärme wird auf natürliche Weise elektrochemisch durch das Laden und Entladen der Batterie erzeugt. "Beim Aufladen wird Wärme erzeugt, die das Salz vor dem Gefrieren bewahrt. Und beim Entladen wird ebenfalls Wärme erzeugt", sagt Sadoway. In einer typischen Installation, die zum Beispiel für den Lastausgleich in einer Solaranlage verwendet wird, "speichert man Strom, wenn die Sonne scheint, und entnimmt ihn nach Einbruch der Dunkelheit, und das jeden Tag. Und dieses Aufladen im Leerlauf und Entladen im Leerlauf reicht aus, um genug Wärme zu erzeugen, um das Ding auf Temperatur zu halten."

Diese neue Batterieformel sei ideal für Anlagen in der Größenordnung von einigen Dutzend Kilowattstunden Speicherkapazität, die für die Stromversorgung eines einzelnen Hauses oder eines kleinen bis mittleren Unternehmens benötigt werden.

Für größere Installationen, bis hin zu einer Größenordnung von einigen Dutzend bis Hunderten von Megawattstunden, könnten andere Technologien effektiver sein, einschließlich der Flüssigmetallbatterien, die Sadoway und seine Studenten vor einigen Jahren entwickelt haben und die die Grundlage für ein Spin-off-Unternehmen namens Ambri bildeten, das hofft, seine ersten Produkte innerhalb des nächsten Jahres liefern zu können. Für diese Erfindung wurde Sadoway kürzlich mit dem diesjährigen Europäischen Erfinderpreis ausgezeichnet.

Der kleinere Maßstab der Aluminium-Schwefel-Batterien würde sie auch für Anwendungen wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge praktisch machen, sagt Sadoway. Er weist darauf hin, dass, wenn Elektrofahrzeuge auf den Straßen so weit verbreitet sind, dass mehrere Autos gleichzeitig aufgeladen werden wollen, wie es heute bei Benzin-Zapfsäulen der Fall ist, "wenn man versucht, das mit Batterien zu machen, und man will schnelles Aufladen, sind die Stromstärken einfach so hoch, dass wir diese Stromstärke in der Leitung, die die Anlage speist, nicht haben". Ein Batteriesystem wie dieses, das Strom speichert und bei Bedarf schnell wieder abgibt, könnte also die Installation teurer neuer Stromleitungen für diese Ladegeräte überflüssig machen.

Die neue Technologie ist bereits die Grundlage für ein neues Spin-off-Unternehmen namens Avanti, das die Patente für das System lizenziert hat und von Sadoway und Luis Ortiz (96, ScD '00), der auch Mitbegründer von Ambri war, mitbegründet wurde. "Als Erstes muss das Unternehmen nachweisen, dass es in großem Maßstab funktioniert", sagt Sadoway, und es dann einer Reihe von Stresstests unterziehen, unter anderem Hunderte von Ladezyklen durchlaufen.

Besteht bei einer auf Schwefel basierenden Batterie die Gefahr, dass sie die üblen Gerüche erzeugt, die mit einigen Formen von Schwefel verbunden sind? Auf keinen Fall, sagt Sadoway. "Der Geruch nach faulen Eiern entsteht durch das Gas Schwefelwasserstoff. Das ist elementarer Schwefel, der in den Zellen eingeschlossen wird. Wenn Sie versuchen würden, eine Lithium-Ionen-Zelle in Ihrer Küche zu öffnen, sagt er (und bitte versuchen Sie das nicht zu Hause!), "würde die Feuchtigkeit in der Luft reagieren und Sie würden auch alle Arten von üblen Gasen erzeugen. Das sind berechtigte Fragen, aber die Batterie ist versiegelt, sie ist kein offenes Gefäß. Deshalb würde ich mir darüber keine Sorgen machen."