NEUIGKEITEN

aus der Branche!

Forschung

KIT: Calciumbatterien – Neue Elektrolyten, verbesserte Eigenschaften

Batterien auf Basis von Calcium versprechen eine günstige Herstellung und ein hohe Energiedichte. Diese Technologie aus dem Labor besitzt das Potential, als Energiespeicher der Zukunft die Lithium-Ionen-Technologie abzulösen. Mit den bislang verfügbaren Elektrolyten gelang es allerdings nicht, Calciumbatterien bei Zimmertemperatur aufzuladen. Forscher des KIT Karlsruher Institut für Technologie haben in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science jetzt eine vielversprechende Elektrolytklasse vorgestellt, die das erstmals möglich macht.

Erst effiziente, große und kostengünstige Energiespeicher eröffnen die Möglichkeit einer flächendeckenden Umstellung auf emissionsfreie Mobilität und Stromversorgung. Doch die aktuell dominierende Lithium-Ionen-Technologie kann nach Informationen von Maximilian Fichtner vom KIT, Direktor der Forschungsplattform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe), welche Calciumbatterien und weitere Speichertechnologien erforscht, diese Aufgabe in globalem Maßstab nicht erfüllen. Lithium-Ionen-Batterien kommen von ihrer Performance und manchen darin verwendeten Rohstoffen mittelfristig an ihre Grenzen und können nicht überall dort eingesetzt werden, wo im Rahmen der Energiewende Energiespeicher sinnvoll wären. Die Vorkommen von Rohstoffen wie Kobalt, Nickel und Lithium, die für die Herstellung notwendig sind sind nur begrenzt verfügbar. Stattdessen setzen M. Fichtner und sein Team, das am Helmholtz-Institut Ulm (HIU) angesiedelt ist, auf alternative Batterietechnologien. Diese basieren auf Rohstoffen, die auf der Erde häufiger vorkommen. Das Element Calcium hält er dabei für einen vielversprechenden Kandidaten, da Calcium beispielsweise im Gegensatz zu Lithium zwei Elektronen pro Atom ab- und aufnehmen kann und weil es eine ähnliche Spannung liefert wie Lithium. 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.

Suche nach geeignetem Elektrolyt
Doch bei der Entwicklungsarbeit zur Calciumbatterie gab es bislang eine große Hürde. Im Gegensatz zur etablierten Lithium-Ionen-Technologie oder auch der neueren Natrium- oder der Magnesium-Technologie existierten bislang keine praktikablen Elektrolyte, um wiederaufladbare Calciumbatterien herzustellen. Nach Aussage von Dr. Zhenyou Li, Erstautor der Studie und Dr. Zhirong Zhao-Karger, Projektleiterin, die beide im Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence) am KIT arbeiten, das die Calciumbatterie im Rahmen von CELEST weiterentwickelt, existieren erst seit wenigen Jahren experimentelle Elektrolyte und damit Prototypen der Calciumbatterie. Diese ermöglichen einen Ladevorgang allerdings erst bei Temperaturen über 75 °C und sind dabei noch anfällig für unerwünschte Nebenreaktionen.
Jetzt gelang es den Forschern, eine Klasse neuer Elektrolyte auf Basis spezieller, organischer Calciumsalze zu synthetisieren, mit denen Ladevorgänge auch bei Zimmertemperatur möglich sind. Am Beispiel des neuen Elektrolyts Calciumtetrakis[hexafluoroisopropyloxy]borat konnten die Forscher nachweisen, dass Calciumbatterien mit hoher Energiedichte, Speicherkapazität und Schnellladefähigkeit möglich sind.

Calciumbatterien als nachhaltige Energiespeicher
Die neue Elektrolytklasse schafft eine wichtige Grundlage, um Calciumbatterien aus dem Labor in die Anwendung zu führen. In Elektroautos, mobilen Elektronikgeräten und stationären Netzspeichern könnten sie eines Tages die bislang dominierende Lithium-Ionen-Batterie ersetzen. Allerdings kann das noch dauern. Die neuen Elektrolyte sind ein erster wichtiger Schritt. Bis zur marktreifen Calciumbatterie ist es noch ein langer Weg.