Erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie sind für den Erhalt unseres Planeten von entscheidender Bedeutung, bringen aber auch eine große Herausforderung mit sich: Sie erzeugen nicht immer dann Strom, wenn er gebraucht wird. Um sie optimal zu nutzen, brauchen wir effiziente und erschwingliche Möglichkeiten, die von ihnen erzeugte Energie zu speichern, damit wir auch dann Strom haben, wenn der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint.
Kombination kostengünstiger und leicht verfügbarer Elemente
Materialwissenschaftler von Columbia Engineering an der Columbia University haben sich auf die Entwicklung neuartiger Batterien konzentriert, um die Art und Weise, wie wir erneuerbare Energie speichern, zu verändern. In einer neuen Studie verwendet das Team K-Na/S-Batterien, die kostengünstige und leicht verfügbare Elemente kombinieren: Kalium (K) und Natrium (Na) mit Schwefel (S), um eine kostengünstige, hochenergetische Lösung für die langfristige Speicherung von Energie zu schaffen.
„Es ist wichtig, dass wir in der Lage sind, die Betriebsdauer dieser Batterien zu verlängern, und dass wir sie einfach und kostengünstig herstellen können“, sagte der Leiter des Teams, Yuan Yang, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und Technik in der Abteilung für angewandte Physik und Mathematik an der Columbia Engineering. „Erneuerbare Energien zuverlässiger zu machen, wird dazu beitragen, unsere Energienetze zu stabilisieren, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und eine nachhaltigere Energiezukunft für uns alle zu unterstützen.“
Energie effizienter speichern und abgeben
K-Na/S-Batterien haben zwei große Probleme: Sie haben eine geringe Kapazität, weil die Bildung von inaktivem festem K2S2 und K2S den Diffusionsprozess blockiert, und ihr Betrieb erfordert sehr hohe Temperaturen (>250 oC), die ein komplexes Wärmemanagement erfordern, was die Kosten des Prozesses erhöht. Frühere Studien hatten mit festen Ausscheidungen und geringer Kapazität zu kämpfen, und es wurde nach einer neuen Technologie gesucht, um diese Art von Batterien zu verbessern.
Yangs Gruppe entwickelte einen neuen Elektrolyten, ein Lösungsmittel aus Acetamid und ε-Caprolactam, das der Batterie hilft, Energie zu speichern und abzugeben. Dieser Elektrolyt kann K2S2 und K2S auflösen und so die Energie- und Leistungsdichte von K/S-Batterien für mittlere Temperaturen erhöhen. Darüber hinaus kann die Batterie bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur (circa 75 °C) als bisherige Konstruktionen betrieben werden und erreicht dennoch nahezu die maximal mögliche Energiespeicherkapazität.
„Unser Ansatz erreicht nahezu theoretische Entladekapazitäten und eine verlängerte Zyklenlebensdauer. Das ist sehr aufregend auf dem Gebiet der K/S-Batterien für mittlere Temperaturen“, sagte der Erstautor der Studie, Zhenghao Yang, ein Doktorand bei Yang.
Der Weg zu einer nachhaltigen Energiezukunft
Yangs Gruppe ist mit dem Columbia Electrochemical Energy Center (CEEC) verbunden, das einen multiskaligen Ansatz verfolgt, um Technologien zu entwickeln und ihre Kommerzialisierung zu beschleunigen. Das CEEC vereint Forschende aus der gesamten School of Engineering and Applied Science, die sich mit elektrochemischer Energie beschäftigen und deren Interessen von Elektronen über Geräte bis hin zu Systemen reichen. Seine Industriepartnerschaften ermöglichen Durchbrüche in der elektrochemischen Energiespeicherung und -umwandlung.
Das Team konzentriert sich derzeit auf kleine Batterien in der Größe einer Münze, plant aber, die Technologie später auf die Speicherung großer Energiemengen auszuweiten. Im Erfolgsfall könnten diese neuen Batterien eine stabile und zuverlässige Stromversorgung aus erneuerbaren Quellen auch in Zeiten mit wenig Sonne oder Wind gewährleisten. Das Team arbeitet nun daran, die Zusammensetzung der Elektrolyte zu optimieren.
