von Simon Schöpf
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Egal ob in Smartphone, Laptop oder Auto – Batterien finden sich mittlerweile so gut wie überall. Meistens sind es Lithiumionenbatterien, deren Herstellung mit einigen Problemen verbunden ist. Die größten Rohstoffvorkommen für diese Batterien liegen zumeist in politisch eher instabilen Gebieten und die Gewinnung verbraucht viele, teils lebenswichtige Ressourcen. So wird derzeitig in Chile, einem der größten Lithiumabbaugebiete der Welt, Wasser in eine Salzwüste „gepumpt“, um das wertvolle Metall aus dem Boden zu holen. Außerdem steigt der Preis für Lithium, bedingt durch die Nachfrage, nahezu exponentiell – in den letzten zehn Jahren stieg der Preis um ca. 2000 %!
Wir haben uns mit einem Wissenschaftler getroffen, der dies ändern möchte: DI Dr. Engelbert Portenkirchner forscht am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck an Natriumionenbatterien. Warum diese besser für unsere Umwelt sind und wie sie funktionieren, erfahrt ihr hier.
Aufbau einer Batterie
Batterien bestehen aus zwei Elektroden, der Anode und der Kathode. Je nachdem ob die Batterie geladen oder entladen wird, wandern die geladenen Atome (Ionen) zwischen diesen beiden Elektroden hin und her. In den 1990er-Jahren wurde an verschiedenen Metallionen geforscht und die besten Ergebnisse wurden mit Lithiumionen und einer Kombination aus einer Graphitanode und einer Lithium-Eisenphosphat- (LiFePO4) bzw. Lithium-Cobalt(III)-oxid- (LiCoO2) Kathode erzielt – nach wie vor der Standard in Industrie und Privatbereich.
Test der entwickelten Knofpbatterien ©Simon Schöpf
Die Natriumionenbatterie, die Engelbert Portenkirchner entwickelt, ist gleich aufgebaut wie eine gewöhnliche Lithiumionenbatterie. Der Vorteil von Natrium gegenüber dem Lithium ist die Verfügbarkeit und der Preis: Natrium kann ganz einfach aus Meerwasser gewonnen werden oder findet sich im gewöhnlichen Kochsalz (NaCl). Schwierigkeiten bereitet die Interkalation der Graphitanode mit anderen Ionen, wie z. B. Natrium-, Kalium- oder Zinkionen. Mittlerweile wurden neue Formen des Kohlenstoffs gefunden (Allotrope), mit welchen die Speicherung mit Natrium möglich ist, jedoch steckt diese vielversprechende Forschung noch in den Grundlagen. Portenkirchner studierte vorher in Linz und nahm von dort eine Idee mit nach Innsbruck. Er forschte damals an organischen Solarzellen mit einem Pigment, welches die meisten von euch kennen dürften: Indigo. Dies wird unter anderem zum Färben von Jeans verwendet und ist sehr günstig bzw. wird im industriellen Maßstab hergestellt.
In der Anorganischen Chemie bezeichnet Interkalation die Einlagerung von Atomen oder kleinen Molekülen zwischen die Kristallgitterebenen von Schichtkristallen, zum Beispiel die Interkalation von Alkalimetallen in Graphit. Die dabei entstehenden Verbindungen werden als Interkalationskomplexe bezeichnet. https://www.chemie.de/lexikon/Interkalation_%28Chemie%29.html
Die Natriumbatterie
Halbzellen ©Simon Schöpf
Es wurde davon ausgegangen, dass Pigmente wie Indigo Isolatoren, also Nichtleiter wären. Werden diese jedoch hochrein aufgetragen, zeigen sie ihre Halbleitereigenschaften, da die Verunreinigungen wegfallen. So können diese als organische Leuchtdioden (OLED) und andere elektrische Bauteile verwendet werden. Diese Pigmente haben zwei Carbonylgruppen, welche z. B. Natriumionen speichern können.
„Der Vorteil von diesen organischen Materialien allgemein ist, dass die Struktur nicht so dicht und kompakt wie ein Kristallgitter oder wie in Graphit ist. Man kann sich das eher leicht ‚schwammig‘ mit großen Abständen zwischen den Molekülen vorstellen. Da spielt die Ionengröße kaum eine Rolle. Wenn diese organischen Materialien mit Lithium funktionieren, dann gehen die auch fast immer mit Natrium, Kalium und so weiter“, hält der Forscher fest.
Das Problem liegt aber noch an der Stabilität der organischen Materialien. Die Stabilität von Batterien misst sich an ihren Ladezyklen. Beim Testen lädt und entlädt die Batterie und dabei wird gemessen, wie sich die Kapazität dieser im Lauf der Zeit ändert. Sobald die Kapazität auf 80 % der Anfangskapazität abgefallen ist, ist die Lebensdauer am Ende. Sony hat vor kurzem eine Lithiumionenbatterie entwickelt (Sony LFP Battery), die ca. 8000 Zyklen schafft. Das würde, bei einer durchschnittlichen Handybenutzung, in etwa einer Akkulebensdauer von fast 20 Jahren entsprechen.
Die Natriumbatterie von Portenkirchner schafft es im Moment ungefähr auf 100 Zyklen. Dies liegt hauptsächlich an den organischen Bestandteilen, die sich beim Laden und Entladen ins Lösungsmittel lösen. Die anderen Parameter wie die Speicherdichte oder die Speichermenge können mit der klassischen Batterie bereits durchaus konkurrieren, aber die Stabilität ist im Moment noch das größte Manko. Würde eine Lösung für dieses Problem gefunden, könnte getrost auf den umweltschädlichen Abbau von Lithium verzichtet werden. Außerdem würden Batterien dadurch noch günstiger werden.
Arbeitsplatz für den sicheren Umgang mit Natrium ©Simon Schöpf
Engelbert Portenkirchner hat definitiv die Motivation, die Probleme in den Griff zu bekommen. Er spricht voller Enthusiasmus von seiner Arbeit:
„Das ist total spannend, wenn man eine Idee hat oder eine Theorie, wie es funktionieren könnte und ich dann die Möglichkeit habe, ins Labor zu gehen und das auszuprobieren. […] Ab und zu freue ich mich schon am Wochenende darauf, am Montag wieder ins Labor gehen zu können, um zu sehen, ob das Experiment tatsächlich funktioniert hat.“
Link zur Institutshomepage
https://webapp.uibk.ac.at/physchem/electrochem/electrochemistry/general/home
Link zum Artikel über Bio Batterien der Uni Innsbruck:
https://www.uibk.ac.at/newsroom/erfolg-auf-dem-weg-zur-bio-batterie.html.de
Link zum Researchgate-Profil:
https://www.researchgate.net/profile/Engelbert-Portenkirchner
[…] Über eine effiziente Alternative zu den vorherrschenden Diesel-LKWs wurde überlegt. Man kam zu dem Schluss, dass Brennstoffzellen-LKWs die beste Alternative wären. Batteriebetriebene LKWs haben den großen Nachteil der Reichweite, sowie den Verlust der Ladekapazitäten durch die großen Batterien. Ebenfalls umstritten sind der Ressourcenverbrauch und die Entsorgung der derzeitig vorherrschenden Batterien (vgl. dazu unseren Artikel über neue Batterietechnologien). […]