Empa und ETH entwickeln Akkus aus Abfall

An der Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) und der ETH Zürich (Eidgenössische Technische Hochschule) haben Forscher ein ehrgeiziges Ziel: Sie wollen einen Akku aus den am häufigsten vorkommenden Elementen der Erdkruste herstellen – zum Beispiel aus Magnesium oder Aluminium. Diese Metalle bieten eine hohe Sicherheit – selbst dann, wenn die Anode aus reinem Metall besteht, was bei einer Lithium-Ionen-Batterie viel zu gefährlich wäre. Diese zusätzliche Sicherheitsmarge bietet wiederum die Chance, die Batterien auf eine sehr einfache und preiswerte Art zusammenzubauen sowie die Produktion schnell hochzuskalieren.

Das Problem dabei: Um eine solche Batterie zum Laufen zu bringen, muss die Elektrolytflüssigkeit aus speziellen Ionen bestehen, die bei Raumtemperatur nicht kristallisieren – also eine Art Schmelze bilden. In dieser «kühlen Schmelze» wandern die Metallionen, umrahmt von einer dicken Hülle aus Chloridionen, zwischen Kathode und Anode hin und her.

Alternativ dazu könnten grosse Anionen aus organischen Chemikalien benutzt werden. Das bringt aber ein anderes Problem mit sich: Wo sollen diese «dicken» Ionen hin, wenn die Batterie geladen wird? Zum Vergleich: Beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Kathode aus einem Metalloxid, das die kleinen Lithium-Ionen während des Ladevorgangs aufnehmen kann. Das funktioniert bei solch grossen Ionen nicht. Ausserdem sind die Ionen, um die es hier geht, negativ geladen, genau anders herum wie die Lithium-Ionen.

Ein Team rund um Kostiantyn Kravchyk soll das Problem nun mit einem Trick gelöst haben, der schon fast banal klingt. Die Wissenschaftler in der Forschungsgruppe von Maksym Kovalenko, die zugleich an der ETH Zürich und im Empa-Labor für Dünnfilme und Fotovoltaik beheimatet ist, stellten nämlich das Prinzip des Lithium-Ionen-Akkus auf den Kopf. Während im Lithium-Ionen-Akku die Anode (der Minuspol) aus Graphit besteht, wird bei Kovalenkos Batterie der Graphit als die Kathode (Pluspol) eingesetzt. In den Zwischenräumen lagern sich die dicken Anionen ein. Die Anode (der Minuspol) ist bei Kovalenkos Batterie dagegen aus Metall.

Eine bemerkenswerte Entdeckung machte Kravchyk auf der Suche nach dem «richtigen» Graphit: Er fand heraus, dass Abfall-Graphit, der bei der Stahlherstellung anfällt, sogenannter «Kish-Graphit», sehr gut als Kathodenmaterial funktioniert. Auch natürlicher Graphit geht gut – wenn er in groben «Flakes» geliefert wird und nicht allzu fein vermahlen ist.

Der Grund: Die Graphitschichten liegen an den Bruchkanten offen, und die dicken Metall-Chlorid-Ionen können leichter in die Struktur hineinschlüpfen. Dagegen eignet sich der fein vermahlene Graphit, der üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommt, für Kovalenkos Batterie kaum: Durch das Vermahlen der Graphitpartikel werden die Schichten geknickt wie in einer zerknüllten Papierkugel. In diesen geknüllten Graphit können nur kleine Lithium-Ionen eindringen, die dicken Anionen der neuen Batterie dagegen nicht.
Die Graphit-Kathoden-Batterie, gebaut aus Abfallstoffen der Stahlherstellung oder aus rohen, natürlichen Graphit-Flakes, hat also das Potenzial, wirklich preisgünstig zu sein. Langlebig ist sie auch – darauf weisen jedenfalls erste Experimente hin. Über mehrere Monate überstand ein Laborsystem Tausende von Lade- und Entladezyklen. «Die Aluminiumchlorid-Graphit-Batterie könnte bei einem täglichen Einsatz in einem Haus jahrzehntelang halten», meint Kravchyk.