Rekordlaufzeit für Silizium-Luft Batterie

Die Wissenschaftler des Instituts für Energie- und Klimaforschung am Forschungszentrum Jülich haben die nächste Hürde zu einer kostengünstigen Alternative der Lithium-Ionen Akkus genommen.

Die Batterie selbst hat nur die Größe einer Knopfzelle und befindet sich im Hohlzylinder in der Mitte des Plexiglasgehäuses.
Die Batterie selbst hat nur die Größe einer Knopfzelle und befindet sich im Hohlzylinder in der Mitte des Plexiglasgehäuses.

Silizium-Luft-Batterien gelten als vielversprechende und preiswerte Alternative zur gegenwärtigen Energiespeicher-Technologie, denn theoretisch haben sie eine weitaus höhere Energiedichte und sind kleiner und leichter als heutige Lithium-Ionen- Akkus. Außerdem sind sie umweltfreundlich und unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Hauptargument für die Weiterentwicklung dieser Batterien ist jedoch das Material: Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste und damit billig und nahezu unbegrenzt verfügbar.

Was in der Theorie gelingen soll, war bislang in der Praxis mit Problemen und Rückschlägen verbunden, denn bei den Testläufen gaben die bisher knopfzellengroßen Silizium-Luft-Batterien nach ein paar Dutzend Stunden keine Energie mehr ab. Um dem Problem auf den Grund zu gehen, versuchten die Forscher am FZJ-Institut für Energieund Klimaforschung zunächst, die Siliziumanode vor Korrosion zu schützen, weil sie vermuteten, dass dies die Ursache für die Kurzlebigkeit sei. Sie experimentierten mit unterschiedlichen Elektrolyten und modifizierten die poröse Schicht, durch die Luftsauerstoff in die Batterie eindringt. Schließlich setzten die Forscher ionische Flüssigkeiten ein, also Spezialsalze, die bei Zimmertemperatur flüssig sind. Das steigerte zwar die Lebensdauer der Batterie auf mehrere hundert Stunden – widersprach allerdings der Grundidee einer preiswerten Alternative zu den Lithium-Ionen-Batterien, denn ionische Flüssigkeiten sind sehr teuer.

Die Wissenschaftler vermuteten schließlich eine andere Ursache für die kurze Laufzeit: Der Elektrolyt (in Wasser gelöstes Kaliumhydroxid) werde beim Be- und Entladen der Batterie verbraucht, sodass diese nach einer Weile den Betrieb einstellt. Darum entwickelten sie ein Pumpensystem, mit dem die Elektrolytflüssigkeit von Zeit zu Zeit nachgefüllt wurde. „Bleibt die Siliziumanode in Kontakt mit dem Elektrolyten, läuft die Batterie“, erklärt Hermann Tempel vom Bereich Grundlagen der Elektrochemie. Damit erreichten sie eine Laufzeit von über 1100 Stunden: knapp 46 Tage – Weltrekord. Trotz alledem baue sich das Silizium im Laufe der Zeit ab, sodass die Anode von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden müsse.

Für den Einsatz im Alltag ist die Batterie also noch immer nicht geeignet. Deshalb arbeiten die Wissenschaftler nun daran, die Batterie am Laufen zu halten, ohne den Elektrolyt nachfüllen zu müssen. „Die Batterie ist immer noch nicht perfekt, aber jetzt wissen wir, woran wir arbeiten müssen“, so Tempel.

www.fz-jülich.de

bild: Forschungszentrum Jülich GmbH