Mit biologischen Abfällen zum Hochleistungs-Akkumulator

2016_007_Mit_biologischen_Abfaellen_zu_nachhaltigen_Batterien_72dpi[1]Akkumulatoren werden wohl nie die primäre Lösung zur Speicherung von Energie liefern können, so die bisherige Auffassung. Ihnen wird sicherlich, zumindest in absehbarer Zukunft, eine entscheidende Rolle bei Fahrzeugen sowie bei mobilen elektrischen und elektronischen Geräten zukommen. Vielmehr aber wohl nicht – zu groß ist der Rohstoffeinsatz und zu gering sind Speichervolumen und die Lebensdauer.

Unter dem technischen Begriff eines Akkumulators versteht man, wie bei der klassischen Batterie, galvanische Elemente, die beim Aufladen elektrische Energie in chemische umwandeln und beim Entladen die chemische Energie wieder in elektrische. Wesentlicher Unterschied: Das Sekundärelement des Akkus ist wieder aufladbar, das Primärelement der Batterie nicht.

Die erste Vorform eines Akkumulators, der – im Gegensatz zu den Zellen von Alessandro Volta – nach der Entladung wieder aufladbar war, wurde schon im Jahr 1803 von dem Niederschlesischen Physiker Johann Wilhelm Ritter (1776-1810) erfunden und gebaut. Der wohl bekannteste Akku-Typ dagegen, der Bleiakkumulator, wurde erst in den Jahren 1850 bis 1886 entwickelt. Seit dieser Zeit wird kontinuierlich an der Weiterentwicklung dieses Elektroenergiespeichers gearbeitet und geforscht. Eigentlich ist die Funktionsweise eines Akkus recht einfach, so sieht es wenigstens auf den ersten Blick aus. Beim Aufladen wird elektrische Energie in chemische umgewandelt. Wird ein elektrischer Verbraucher an den Akku angeschlossen, so wird die chemische in elektrische Energie zurückgewandelt. Klingt doch einfach und unkompliziert, oder? Die für eine elektrochemische Zelle typische elektrische Nennspannung, der Wirkungsgrad und die Energiedichte hängen jedoch wesentlich von den verwendeten Materialien ab. Und diesbezüglich ist den Forschern und Entwicklern bisher noch nicht der ganz große Wurf gelungen.

Heute haben wir, besonders im Bereich der Elektronik, hochentwickelte Akkus mit kleinen Abmessungen, hohem Wirkungsgrad und großer Energiedichte. Die gängigen Lithium-Ionen-Akkus sind auch schon sehr schnellladefähig und von langer Lebensdauer. Das verwendete chemische Element Lithium – ein Alkalimetall – ist jedoch chemisch wenig stabil. Lithium hat an der Erdkruste einen Anteil von etwa 0,006 %. Es kommt damit etwas seltener als Zink, Kupfer und Wolfram sowie etwas häufiger als Kobalt, Zinn und Blei in der Erdkruste vor. Lithium steht somit nicht unbegrenzt zur Verfügung und es ist auch nicht ganz einfach zu gewinnen.

Bei Akkumulatoren für die Elektrotechnik bzw. für größere Verbraucher sind hingegen bisher keine entscheidenden Fortschritte gemacht worden. Das trifft insbesondere auf Akkumulatoren für den Einsatz in Kraftfahrzeugen sowie zur Zwischenspeicherung für regenerative Energie – Wind- und Solarenergie – zu. Die Akkumulatoren der Zukunft werfen bisher nur einen schwachen Schein am Horizont, so benötigen wohl noch eine lange Zeit der Entwicklung bis sie praxistauglich sind.

Lithium-Schwefel-Akkus sind in der Entwicklung. Erneut findet das nur begrenzt verfügbare Element Lithium Anwendung. Bei diesem Akku wurden noch nicht die vorhergesagten Ergebnisse erzielt. Die theoretische Energiedichte ist zwar die höchste aller Akkumulatoren, die Praxis konnte diese Werte bisher jedoch nicht bestätigen. Zudem sind sie recht empfindlich gegen Temperaturschwankungen und auch ihre Lebensdauer ist unzureichend.

Auch an Lithium-Polymer-Akkus wird geforscht. Erneut wird hier Lithium benötigt! Diesem Akku-Typ wir viel Potential zugeschrieben, denn er ist in seiner Formgestaltung sehr variabel, da er keine Flüssigkeiten enthält und auch seine Lebensdauer gibt Anlass zu Optimismus. Jedoch ist dieser Akku sehr kälteempfindlich.

Auch ein Lithium-Luft-Akku ist Forschungsgegenstand. In der Theorie soll er eine 10 – 20 Mal höhere spezifische Energie aufweisen als herkömmliche Lithium-Akkus, jedoch ist er über die Forschung kaum hinausgekommen und zudem wird auch hier erneut Lithium benötigt.

Natürlich gibt es auch noch Akkumulatoren die nicht mit Lithium arbeiten. Bei den modernen Akku-Typen sind das insbesondere solche, deren Elektroden aus Nickelverbindungen bestehen. Da Nickel jedoch noch seltener vorkommt als Lithium und zudem auch wesentlich umwelt- und gesundheitsschädigender ist kann diesem Typ wohl keine Zukunft gegeben werden. Besonders die in der Vergangenheit üblichen Nickel-Cadmium-Akkus sind inzwischen durch EU, sowie nationale Verbote, weitgehend aus dem Verkehr genommen worden.

Die wohl größten Hoffnungen setzten Forschung, Wissenschaft und Entwicklung derzeit auf Natrium-Ionen-Akkumulatoren. Sie sind deutlich leistungsstärker als Systeme mit Nickel-, oder Bleielektroden und repräsentieren eine echte Alternative zu den Lithium-Ionen-Akkus. Ihre Ausgangsstoffe sind weit verbreitet, einfach zugänglich und somit kostengünstig; zudem sind sie wenig umweltbelastend. Daher sind Natrium-Ionen-Systeme insbesondere eine äußerst vielversprechende Technologie für stationäre Energiespeicher, welche eine zentrale Rolle in der proklamierten Energiewende einnehmen müssen.

Bei der Entwicklung von Aktivmaterialien für Natrium-basierte Energiespeichersysteme ist dem Team um Professor Stefano Passerini und Dr. Daniel Buchholz am Helmholtz-Institut Ulm, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), nun ein bedeutender Schritt gelungen. Für die negative Elektrode wurde ein kohlenstoffbasiertes Material entwickelt, welches aus Apfelabfällen gewonnen wurde und exzellente elektrochemische Eigenschaften besitzt. Über 1000 Lade- und Entladezyklen mit hoher Systemstabilität und hoher Kapazität konnten bisher demonstriert werden. Diese Entwicklung stellt einen wichtigen Schritt zur nachhaltigen Nutzung und Verwertung von nachwachsenden Rohstoffen sowie biologischen Abfällen dar.

Für die positive Elektrode wurde ein Material entwickelt, dass aus verschiedenen Schichten von Natriumoxiden besteht. Auf der Erde ist Natrium mit einem Anteil an der Erdkruste von 2,36 % das sechsthäufigste Element. Es kommt aufgrund seiner Reaktivität nicht elementar, sondern stets in Verbindungen, den Natrium-Salzen, vor. Ein großer Speicher von Natrium ist das Meerwasser. Ein Liter Meerwasser enthält durchschnittlich 11 Gramm Natriumionen.  Zudem kommt Natrium auch im gesamten Universum sehr häufig vor.

Das neue Natrium-Aktivmaterial kommt zudem völlig ohne das teure und umweltschädigende Element Kobalt aus, welches noch immer häufig ein Bestandteil in Aktivmaterialien von Lithium-Ionen-Akkus ist. Das neue Aktivmaterial, in dem die eigentliche Speicherung von Energie stattfindet, hat bei gleichen Leistungsdaten im Labor hunderte von Zyklen ohne Kobalt absolviert.

Mit den diesen neuen Materialien konnte ein bedeutender Schritt, hin zur Entwicklung kostengünstiger und umweltfreundlicher Natrium-Ionen-Akkumulatoren gemacht werden.




Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.