Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken – sie versorgen Geräte von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen zuverlässig mit Energie. Doch diese Ressourcen sind endlich. Das wirft die Frage auf, ob sie nachhaltig genug sind und ob die Kosten für die Verbraucher zu hoch werden.
Eisen wird zu einer leistungsstarken alkalischen Batterieanode
Ein Team um Xiaowei Teng, der James H. Manning Professor für Chemieingenieurwesen am Worcester Polytechnic Institute (WPI), hat dazu neue Batterietechnologien für die Energiespeicherung im Netz erforscht. Die jüngsten Ergebnisse des Teams beweisen, dass Eisen, wenn es mit dem Elektrolytzusatz Silikat behandelt wird, eine leistungsstarke alkalische Batterieanode bildet. Eisen ist das zweithäufigste Metall in der Erdkruste nach Aluminium und deshalb eine wesentlich nachhaltigere Alternative zu Nickel und Kobalt. Allein in den Vereinigten Staaten werden jedes Jahr über 40 Millionen t Eisen und Stahl aus Schrott recycelt.
Teng macht deutlich, dass Eisen bereits als Anode für Alkalibatterien in Eisen-Nickel-Alkalibatterien verwendet wird – eine Erfindung von Thomas Edison aus dem Jahr 1900 –, die jedoch aufgrund der Bildung von Wasserstoffgas beim Laden und von inertem Eisenoxid beim Entladen eine geringe Energieeffizienz und Speicherkapazität aufweisen.
Eisen-Alkali-Batterien für moderne Energiespeichersysteme
„Die Bildung von Wasserstoffgas beim Laden einer Batterie ist unerwünscht“, so Teng. „Sie beeinträchtigt die Energieeffizienz des Batteriesystems erheblich. Wenn diese technischen Herausforderungen nicht angegangen werden, sind Eisen-Alkali-Batterien für moderne Energiespeichersysteme, die mit Stromnetzen gekoppelt werden sollen, weniger attraktiv.“ In einem Artikel vom 7. Oktober verkündet das Team stolz, dass es durch die Zugabe von Silikat zu den Elektrolyten gelungen ist, eine Batterie zu laden, ohne Wasserstoff zu erzeugen.
Silikat, eine chemische Verbindung aus Silizium und Sauerstoff, wird seit langem als kostengünstiges und einfaches Mittel in Glas, Zement, Isolierung und Reinigungsmitteln verwendet, so Sathya Jagadeesan, Doktorand am WPI und Hauptautor der Arbeit. Die Forschungsgruppe konnte nachweisen, dass Silikat eine starke Wechselwirkung mit Batterieelektroden eingeht und die Bildung von Wasserstoffgas unterdrückt. Laut Teng könnte dieses neue Verfahren die alkalische Eisen-Redox-Chemie in Eisen-Luft- und Eisen-Nickel-Batterien für Energiespeicheranwendungen, wie zum Beispiel Mikronetze oder einzelne Solar- oder Windparks, verbessern.
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