Einen Akku aus den am häufigsten vorkommenden Elementen der Erdkruste zu machen ist ein ehrgeiziges, aber lohnendes Ziel. Denn Metalle wie Magnesium oder Aluminium bieten zahlreiche Vorteile. Vor allem sorgen sie für hohe Sicherheit selbst dann, wenn die Anode aus reinem Metall besteht. Das wäre bei einer Lithium-Ionen-Batterie viel zu gefährlich. Diese zusätzliche Sicherheitsmarge bietet wiederum die Chance, die Batterien auf eine sehr einfache, preiswerte Art zusammenzubauen und die Produktion schnell hochzuskalieren.
Die Funktionsweise
Um eine solche Batterie zum Laufen zu bringen, muss die Elektrolytflüssigkeit aus speziellen Ionen bestehen, die bei Raumtemperatur nicht kristallisieren – also eine Art Schmelze bilden. In dieser „kühlen Schmelze“ wandern die Metallionen, umrahmt von einer dicken Hülle aus Chloridionen, zwischen Kathode und Anode hin und her.
Alternativ dazu könnten große Anionen aus organischen Chemikalien benutzt werden. Das bringt aber ein Problem mit sich: Wo sollen diese „dicken“ Ionen hin, wenn die Batterie geladen wird? Zum Vergleich: Beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Kathode aus einem Metalloxid, das die kleinen Lithium-Ionen während des Ladevorgangs aufnehmen kann. Das funktioniert bei solch großen Ionen nicht. Außerdem sind die Ionen, um die es hier geht, negativ geladen, genau anders herum als die Lithium-Ionen.
Lithium-Ionen-Akku auf den Kopf gestellt
Mit dieser Fragestellung hat sich Kostiantyn Kravchyk in der Forschungsgruppe von Maksym Kovalenko beschäftigt. Die Wissenschaftler sind zugleich an der ETH Zürich und im Empa-Labor für Dünnfilme und Fotovoltaik beheimatet. Kovalenkos Team löste das Ionen-Problem mit einem Trick, indem die Forscher das Prinzip des Lithium-Ionen-Akkus auf den Kopf stellten.
Während im Lithium-Ionen-Akku die Anode (der Minuspol) aus Graphit besteht, wird bei Kovalenkos Batterie der Graphit als die Kathode (Pluspol) eingesetzt. In den Zwischenräumen lagern sich die dicken Anionen ein. Die Anode (der Minuspol) ist bei Kovalenkos Batterie dagegen aus Metall.
Graphit-Abfall aus der Stahlherstellung nutzen
Eine bemerkenswerte Entdeckung machte Kostiantyn Kravchyk auf der Suche nach dem richtigen Graphit. Er fand heraus, dass Abfall-Graphit (Kish-Graphit), der bei der Stahlherstellung anfällt, sehr gut als Kathodenmaterial funktioniert. Auch natürlicher Graphit eignet sich, wenn er in groben Flakes geliefert wird und nicht allzu fein vermahlen ist. Der Grund: Die Graphitschichten liegen an den Bruchkanten offen, und die dicken Metall-Chlorid-Ionen können leichter in die Struktur hineinschlüpfen.
Dagegen eignet sich der fein vermahlene Graphit, der üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommt, für Kovalenkos Batterie kaum. Durch das Vermahlen der Graphitpartikel werden die Schichten geknickt wie in einer zerknüllten Papierkugel. In diesen geknüllten Graphit können nur kleine Lithium-Ionen eindringen, die dicken Anionen der neuen Batterie dagegen nicht.
Tausende Ladezyklen möglich
Die Graphit-Kathoden-Batterie – gebaut aus Abfallstoffen der Stahlherstellung oder aus rohen, natürlichen Graphit-Flakes – hat also das Potenzial, wirklich preisgünstig zu sein. Langlebig ist sie auch – darauf weisen jedenfalls erste Experimente hin. Über mehrere Monate überstand ein Laborsystem tausende von Lade- und Entladezyklen. „Die Aluminiumchlorid-Graphit-Batterie könnte bei einem täglichen Einsatz in einem Haus jahrzehntelang halten“, meint Kravchyk.
