Post-Lithium-Technologie: KIT findet vielversprechende Elektrolytklasse für Calciumbatterien

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Die Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickeln derzeit Batterien, die der vorherrschenden Lithium-Ionen-Technologie den Rang ablaufen können. Im Fokus der Forschungsplattform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe) stehen dabei Batterien auf Calcium-Basis, die sich günstig herstellen lassen und eine hohe Energiedichte aufweisen. Bislang sei es mit den verfügbaren Elektrolyten nicht möglich gewesen, die Batterien bei Zimmertemperaturen aufzuladen. Nun haben die Forscher jedoch eine vielversprechende Elektrolytklasse ausfindig gemacht, die dies ermöglicht, wie sie in ihrer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Energy & Environmental Science“ (DOI: 10.1039/c9ee01699f) berichten.

Nach Ansicht der Wissenschaftler werden alternative Batterietechnologien gerade mit Blick auf den Ausbau der Elektromobilität dringend gebraucht. „Lithium-Ionen-Batterien kommen von ihrer Performance und manchen darin verwendeten Rohstoffen mittelfristig an ihre Grenzen und könnten dann nicht überall dort eingesetzt werden, wo in Rahmen der Energiewende Energiespeicher sinnvoll wären“, sagt Maximilian Fichtner vom KIT und Direktor der Forschungsplattform CELEST. „Wir verfügen nur über begrenzte Vorkommen von Rohstoffen wie Kobalt, Nickel und Lithium, die für die Herstellung notwendig sind.“

Wenn es um Post-Lithium-Ionen-Technologien geht, gehört Calcium zu den vielversprechendsten Kandidaten. Das Element könne beispielsweise im Gegensatz zu Lithium zwei Elektronen pro Atom ab- und aufnehmen. „Calcium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste. Es ist gleichmäßig auf der Erde verfügbar und bietet den Vorteil sicher, ungiftig und kostengünstig zu sein“, so Fichtner weiter. Allerdings habe es bislang an praktikablen Elektrolyten gefehlt, wodurch die Ladung erst bei Temperaturen jenseits der 75 Grad Celsius möglich gewesen sei. Hinzu kamen “unerwünschte Nebenreaktionen“ Nun gelang es den CELEST-Forschern, eine Klasse neuer Elektrolyte auf Basis spezieller, organischer Calciumsalze zu synthetisieren, wie es weiter heißt. Damit seien auch Ladevorgänge bei Zimmertemperatur möglich.

Am Beispiel des neuen Elektrolyts Calciumtetrakisborat konnten die Forscher nachweisen, dass Calciumbatterien mit hoher Energiedichte, Speicherkapazität und Schnellladefähigkeit möglich sind. Die Ergebnisse sind in ihrem Artikel veröffentlicht. Die neue Elektrolytklasse schaffe damit eine wichtige Grundlage, um Calciumbatterien aus dem Labor in die Anwendung zu führen, heißt es vom KIT weiter. In Elektroautos, mobilen Elektronikgeräten und stationären Netzspeichern könnten sie eines Tages die bislang dominierende Lithium-Ionen-Batterie ersetzen. Dies wird jedoch nicht heute oder morgen der Fall sein, wie Fichtner einräumt. „Die neuen Elektrolyte sind ein erster wichtiger Schritt. Bis zur marktreifen Calciumbatterie haben wir noch einen weiten Weg vor uns“, so der Forscher.