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Energiespeicher

Der Schwamm in der Batterie

Lithium-Ionen-Akkus sind zwar sehr leistungsfähig, bergen jedoch ein großes Problem: das Explosionsrisiko. Nun bietet eine neue Struktur der Nickel-Zink-Batterie eine Alternative. Sie könnte die Lithium-Ionen-Batterie ablösen und für mehr Sicherheit im Umgang mit elektronischen Geräten im Alltag sorgen. // Von Marie Louise Franz und Jennifer Winter

20.07.2017//Lithium-Ionen-Batterien betreiben fast jedes Gerät im Haushalt und im Alltag. Sie sind im Smartphone, Kinderspielzeug und Haushaltsgerät zu finden. Sie bringen selbst Elektroautos und -fahrräder in Gang. Dennoch sind sie nicht ganz ungefährlich – diese Batterien neigen dazu zu brennen und sogar zu explodieren, wenn sie von außen zu stark überhitzt werden oder im Inneren ein Kurzschluss entsteht.

Forscher aus Amerika haben eine neue Struktur für die Nickel-Zink-Batterie entdeckt. Es handelt sich um eine schwammartige Struktur der Zink-Elektrode. Damit kann es im Inneren der Nickel-Zink-Batterie zu keinem Kurzschluss kommen, wie es bisher der Fall war. Ziel ist es, eine Alternative für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln.

Kurzschluss-Problem

Im Laufe der kontinuierlichen Entlade- und Aufladevorgänge bilden sich in Folge elektrochemischer Prozesse Kristallisierungen, welche als Dendriten bezeichnet werden. Diese entstehen an der positiven Elektrode der Batterie und wachsen in Richtung der Negativen. Sobald die Dendriten diese erreicht haben, durchstoßen sie die Trennschicht zwischen den Elektroden und verursachen damit einen Kurzschluss.

Revolution der Nickel-Zink-Akkumulatoren

Durch eine neue Umstrukturierung der Nickel-Zink-Akkus kann die Bildung der Dendriten verhindert werden. Debra Rolison hat mit ihrem Forscherteam vom U.S. Naval Research Laboratory in Washington, D.C. einen schwammförmigen Aufbau des Nickel-Zink-Gemischs als Anode eingesetzt. Die Nickel-Zink-Akkus erreichen im Labor eine Effizienz von 1,9 Volt. Sie erweisen sich damit als genauso leistungsfähig wie die Lithium-Ionen-Akkus. Zudem sind sie sogar leichter und kommen ohne teure Materialien aus.

Problem-Lösung der Nickel-Zink-Batterie // Video: Jennifer Winter und Marie Franz

Gefahr bewusst geworden

Die Gefahr des Kurzschlusses machten erstmals Brände an Bord einer Boeing offensichtlich, denn dort gab es Anfang 2013 zwei Batteriebrände: Nach einem fürchterlichen Gestank musste das Flugzeug notlanden. Genauere Untersuchungen ergaben, dass die Ursache bei einem verschmorten Lithium-Ionen-Akku lag. Laut Abschlussbericht sei die Überhitzung vermutlich auf einen Kurzschluss innerhalb der Batterie zurückzuführen.

Auch Smartphones sind dieser Gefahr ausgesetzt. Samsung musste letztes Jahr die komplette Reihe "Galaxy Note 7" wegen Brandgefahr global zurückrufen: Erst im August vergangenen Jahres wurde dieses Modell auf dem Markt eingeführt. Kurz daraufhin fingen einige Smartphones beim Aufladen des Akkus Feuer und einige explodierten sogar. Auch Flugzeuge mussten wegen brennender Handys kurz vor dem Start den Flug abbrechen und das Flugzeug räumen lassen. Laut Samsung-Untersuchungsbericht sind die Brände auf Design- und Produktionsfehler der Lithium-Ionen-Batterie zurückzuführen.

Ein weiteres Problem ist, dass Lithium-Ionen-Akkus aus seltenen und teuren Materialien bestehen. Laut der Forscherin Debra Rolison werden die Rohstoffe Lithium und Kobalt knapp, wodurch der Wert der Materialien und somit auch der Akkus stetig steigt.

Batterie der Zukunft?

Um die Lithium-Ionen-Batterien beispielsweise in Handys zu ersetzen, muss die Nickel-Zink-Batterie noch um ein Vielfaches mehr an Lade- und Entladezyklen bewältigen können. Es werden weitere Forschungen angestellt, um die Stabilität der wiederaufladbaren Nickel-Zink-Akkus zu steigern, mit der Intention sie praxistauglich zu machen.

Dirk Uwe Sauer, Professor für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik an der RWTH Aachen, ist der Ansicht, dass Nickel-Zink-Batterien mit der jetzigen erprobten Laborleistung nicht an die Lithium-Ionen-Batterie eines Elektromobils herankommen können. In einem Tesla beispielsweise erbringe der Akku eine Energiedichte von 130 Wattstunden pro Kilogramm. Nickel-Zink-Batterien erreichen bisher aber nur eine Energiedichte von 109 Wattstunden pro Kilogramm. Zusätzlich sei es nicht sicher, ob die Nickel-Zink-Batterie die Sicherheitskriterien einer Elektroauto-Batterie erfüllen, also ob sie ein Kühlsystem enthält und ob das Batteriemanagement enthalten sein kann.

Er fasst die neue Entdeckung folgendermaßen zusammen: "Unter dem  Strich ist das zwar eine interessante wissenschaftliche Entdeckung, kann meiner Meinung nach aber wahrscheinlich nie in Elektroautos sichtbar werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass aufgrund der geringen Spannung ein viel schlechterer Wirkungsgrad vorhanden ist, was die Energiekosten erhöht und auch die Auslegung des Kühlsystems viel schwieriger macht."

Die Forschung der neu entwickelten Nickel-Zink-Akkus muss weiter vorangetrieben werden, um an die Gesamtleistung eines Lithium-Ionen-Akkus heranzukommen.

Alternativen

Kommerzielle, wiederaufladbare Batterie-Systeme sind im Wesentlichen die Blei-Säure-Batterie, die Nickel-Metallhydrid-Batterie und vor allem die Lithium-Ionen-Batterie. Letztere ist die Technologie, die aktuell am schnellsten Marktzuwächse generiert und die ersteren beiden zunehmend verdrängt. Rüdiger Eichel, Leiter am Institut für Energie- und Klimaforschung des Forschungszentrums Jülich, ist der Auffassung, dass derzeit kein wiederaufladbarer Speicher dem Lithium-Ionen-Akku das Wasser reichen könne. Der Begriff  "Lithium-Ionen-Batterie" stellt einen Oberbegriff für eine ganze Technologie dar. Außerdem unterscheiden sich die einzelnen Lithium-Ionen-Batterien – je nach Hersteller – signifikant, was die verwendeten Elektroden- und Elektrolyt-Komponenten anbelangt. Daher ist es wahrscheinlich, dass eine Lithium-Ionen-Batterie in zehn Jahren eine andere Zusammensetzung haben wird als heute.

Batterie-Experte Dominic Bresser vom Helmholtz-Institut Ulm, dem Batterieforschungszentrum des Karlsruher Instituts für Technologie, beschreibt die Aussicht des künftigen Batterieeinsatzes: "Es basieren meines Wissens derzeit alle portablen elektronischen Geräte und Elektroautos auf Lithium-Ionen-Batterien und ich denke nicht, dass sich dies in den nächsten zehn Jahren grundlegend ändern wird. Wenn wir die Batteriesysteme betrachten, die sich noch im Stadium der experimentellen Forschung befinden, so gibt es eine wahre Bandbreite von verschiedenen Systemen neben den Nickel-Zink-Akkumulatoren, und es wird sich in den nächsten Jahren und Jahrzehnten zeigen, welche Technologie eines Tages Lithium-Ionen-Batterien ablösen oder zumindest komplementieren können wird."

Marie Louise Franz und Jennifer Winter, Technikjournalismus/PR, 6. Semester

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Die Autorinnen

  

Marie Louise Franz & Jennifer Winter