Silizium-Luft-Batterien gelten als eine vielversprechende und preiswerte Alternative zur gegenwärtig meist verbreiteten Energiespeicher-Technologie, der Lithium-Ionen Batterie. Allerdings erreichten sie bisher nur eine relativ kurze Laufzeit. Jülicher Forscher haben nun herausgefunden warum.
Silizium-Luft-Batterien haben theoretisch eine weitaus höhere Energiedichte und sind kleiner und leichter als heutige Lithium-Ionen-Akkus. Außerdem sollen sie umweltfreundlicher und unempfindlicher gegenüber äußeren Einflüssen sein. Ihr entscheidender Vorteil jedoch ist das Material. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde: Es ist billig und nahezu unbegrenzt verfügbar.
Doch bisher hat die Silizium-Luft-Batterie noch ein paar Schönheitsfehler – nach relativ kurzer Zeit stoppt der Stromfluss. Über die Gründe dafür gab es bis jetzt nur Vermutungen. Bildet sich spontan eine Schutzschicht auf der Siliziumanode, ist der Elektrolyt überhaupt geeignet oder ist es ein Problem mit der Luft-Elektrode?
Versuche, das Problem durch Verbesserungen dieser Komponenten zu beheben, erwiesen sich als wenig erfolgreich. Das beste Ergebnis ergab der Einsatz eines speziellen, hochwertigen Elektrolyten auf Basis einer ionischen Flüssigkeit. Der steigerte die Lebensdauer der Batterie auf mehrere hundert Stunden – widersprach allerdings der Grundidee: einer preiswerten Alternative zu den Lithium-Ionen-Batterien.
„Wir wissen jetzt, woran wir arbeiten müssen“
Die Wissenschaftler des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung vermuteten eine andere Ursache für die kurze Laufzeit – den Verbrauch des Elektrolyten. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts AlSiBat entwickelten sie ein Pumpensystem, mit dem die Elektrolytflüssigkeit – in Wasser gelöstes Kaliumhydroxid – 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. „Bis das Silizium komplett aufgebraucht ist. Danach kann die Batterie durch das Auswechseln der Anode – sozusagen mechanisch – wieder aufgeladen werden.“
Nun suchen die Wissenschaftler nach einem Weg, die Batterie am Laufen zu halten, ohne den Elektrolyt nachfüllen zu müssen. „Wir müssen die Selbstentladung der Batterie unterdrücken“, erklärt Hermann Tempel. Denn die führt dazu, dass die Elektrolytflüssigkeit verbraucht wird. Additive im Elektrolyt könnten hier helfen. „Die Batterie ist immer noch nicht perfekt, aber jetzt wissen wir, woran wir arbeiten müssen.“