Hochleistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien haben ein Problem: Das Lithium wird immer knapper, weil immer mehr Elektroautos und stationäre Speicherbatterien gebaut werden müssen. Nun haben Forscher der Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) 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 bringt das herkömmliche Stromnetz an die Belastungsgrenze. 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 Lithium-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.
Maksym Kovalenko, Marc Walter und ihren Kollegen im Labor für Dünnfilme und Photovoltaik der Empa soll nun so etwas wie die „Quadratur des Kreises“ gelungen sein: 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.
Sicher, langlebig und günstig
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 Euro und ist damit 15-mal billiger als Lithium. Auch beim Bau der Billig-Akkus lässt sich sparen: Lithium-Ionen-Akkus brauchen relativ teure Kupferfolien, um den Strom zu sammeln und abzuleiten. Bei der „Katzengold-Batterie“ würde preisgünstige Alufolie genügen.
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.
Dr.-Ing. Klaus D. Beccu meint
Bisher sind unserer Kenntnis nach keine weiteren Daten über diese „Pyrit-Batterie“ bekannt geworden. Mit Zahlen von 40 Zyklen an die Öffentlichkeit zu gehen, scheint uns noch ein wenig unzureichend, wenn über 2000 Zyklen wünschenswert sind. Es sei daran erinnert, dass andere, chemisch-ähnliche Speichersysteme seit vielen Jahren in Entwicklung sich sehr „zukunftsträchtig“geben, insbesondere Li-S und Na-S. Nicht zu vergessen die Redox Flow Systeme für schnelle Ladung und grosse Reichweiten. – Batterieforschung ist aus eigener Erfahrung (Battelle-Genf: 35 Jahre) extrem Zeit- und Kosten-aufwendig, wegen der Vielzahl von Parametern, die untersucht werden müssen. Die Lithium Hype lässt derzeit keine anderen Systeme zu, obwohl es genügend Gründe gibt, alternative Systeme vorzuschlagen. EMPA & ETH sollten sich jedoch nicht entmutigen lassen und weitere Details publizieren – vielleicht auf der nächsten Frühjahrskonferenz 2016 am Paul Scherrer Institut. – Auch sollten sie immer im Auge haben, dass der Batterie-Antrieb zusehends durch die Brennstoffzellen-Technologie in Frage gestellt wird: Toyota MIRAI, Honda FCX, Hyundai und viele angekündigte Produkte von Daimler, BMW, VW etc.