Eine der größten Herausforderungen im Kampf gegen den Klimawandel ist die Energiespeicherung. Fossile Brennstoffe speichern sich im Wesentlichen selbst, da ihre Energie in ihren eigenen chemischen Bindungen eingeschlossen ist. Aber wie speichert man nachhaltigere, aber ansonsten vergängliche Energieformen wie die Kraft von Wind und Sonne?
Für Eric Detsi, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, lautet die Antwort: Batterien, die leistungsfähig genug sind, um den Energiebedarf der Zukunft zu decken – die Internationale Energieagentur geht davon aus, dass sich die weltweite Batteriekapazität bis 2030 versechsfachen muss - gibt es noch nicht.
Materialwahl als Lösung
In den meisten heute verwendeten Batterien, von den Einweg-Alkalibatterien in Haushaltsgeräten wie Weckern bis hin zu den wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, bestehen die Elektroden, zwischen denen die Ionen fließen, normalerweise aus festen Materialien wie Metalloxiden oder Graphit. Wie Detsi betont, wird das Material jedoch bei jedem Lade- und Entladezyklus der Batterie beschädigt, da sich die Elektroden ausdehnen und zusammenziehen, manchmal um bis zu 300 Prozent, was einer der Gründe ist, warum selbst wiederaufladbare Batterien allmählich an Kapazität verlieren und schließlich versagen.
„Es besteht ein Bedarf an Materialien, die eine große Menge an Lithium, Natrium und Magnesium für den Einsatz in Hochleistungsbatterien speichern können“, sagt Detsi. „Je mehr Lithium, Natrium oder Magnesium ein Batteriematerial speichern kann, desto mehr dehnt es sich aus und schrumpft beim Laden und Entladen, was zu enormen Volumenänderungen führt.“ Detsis Gruppe hat sich mit Batterien beschäftigt, die hauptsächlich aus Natrium und Magnesium bestehen, die billiger und weniger ethisch bedenklich sind, da Natrium und Magnesium in der Erdkruste reichlich vorhanden sind. Noch wichtiger ist, dass Natrium- und Magnesiumvorkommen in den USA reichlich vorhanden sind.
Die Gruppe verwendet diese Metalle, um Elektroden zu entwickeln, die zwischen flüssigem und festem Zustand wechseln, um Schäden während der Ladezyklen zu vermeiden, und die dennoch leicht herzustellen sind. „Wenn sich das Material in der festen Phase befindet, beginnt es aufgrund der enormen Volumenveränderungen, die während der Ladungsspeicherung auftreten, zu zerfallen“, sagt Detsi. „Wenn das Material jedoch vom festen in den flüssigen Zustand übergeht, ,heilt' es sich selbst, indem es sich von der durch die Volumenänderung verursachten Degradation erholt.“
