Neue Batterie: Strom aus Meerwasser

Innovative Entwicklung des MIT verzehnfacht Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus

Open Water Power (OWP), eine Ausgründung aus dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat eine Batterie entwickelt, die Meerwasser schluckt und dabei Strom erzeugt. OWP will mit seiner Batterie etwa Unterwasserroboter, Forschungs-U-Boote und andere marine Fahrzeuge antreiben. Vorteil gegenüber Lithium-Ionen-Akkus: zehnmal so viel Kapazität, und die neue Batterie kann nicht brennen oder explodieren. “Wir machen uns daran, den Ozean zu erobern”, sagte Entwickler Salmon McKay von OWP.

[note OWP: “Das System besteht aus drei Hauptkomponenten: einer aktivierten Aluminiumanode, einem wässrigen alkalischen Elektrolyten und einer wasserstoffentwickelnden Kathode. Beachten Sie die Injektion von Wasser als Oxidationsmittel in das System und die Entfernung der ungiftigen Aluminiumhydroxid- und Wasserstoffgas-Nebenprodukte. Diese Stoffübertragung kann kontinuierlich oder zeitweilig erfolgen.” (openwaterpower.com/our-technology)]

Anode

Die Anoden des neuartigen Stromspeichers bestehen aus einer Aluminiumlegierung, die speziell als elektrochemischer Brennstoff konzipiert wurde. In erster Linie aus Aluminium, enthält diese Legierung geringe Mengen an anderen ungiftigen Metallen, die das Aluminium für die Reaktion mit Wasser aktivieren und gleichzeitig die Korrosion hemmen, wenn geringe Strommengen aus dem System gezogen werden. Auf dem Spektrum der Aktivierung sind unsere Legierungen am unteren Ende; sie reagieren nicht stark mit normalem Meerwasser. Diese geringe Reaktivität trägt zur Sicherheit und Stabilität des Systems bei. Unsere Legierungen sind so ausgelegt, dass sie nur in Gegenwart unseres Elektrolyts deutlich reagieren, und selbst dann geht die Reaktion mäßig und ohne das Risiko einer Abwanderung auch unter den härtesten Bedingungen vonstatten, einschließlich Systempunktion oder internem Kurzschluss aufgrund mechanischer Beschädigung. Der Legierungsinhalt kann auf die spezifischen Leistungs- und Lebensdaueranforderungen einer bestimmten Anwendung zugeschnitten werden.

Elektrolyt

Getrennt werden die beiden Elektroden durch einen alkalischen Elektrolyten, der ist mäßig alkalisch und besteht hauptsächlich aus Wasser, sowohl Meerwasser als auch Süßwasserquellen. Zusätzlich zur Verwendung als Brennstoff für die Aluminiumoxidation und ein Weg für Ionen, um sich zwischen den Elektroden zu bewegen, erleichtert der Elektrolytstrom durch die Zelle auch die Abfallentsorgung und das thermische Management. Weiterhin dienen die im Elektrolyten vorhandenen ungiftigen chemischen Zusätze dazu, das Anodenmaterial zu aktivieren und die Kathodenreaktion zu beschleunigen, während unerwünschte Aluminiumkorrosion behindert wird. Salzwasser, das die Kathode berührt, wird in Hydroxid-Anionen und Wasserstoff aufgespalten. Das Hydroxid reagiert mit der Aluminiumanode. Dabei entstehen Aluminiumhydroxid und freie Elektronen, die als elektrischer Strom durch einen Verbraucher, etwa ein Messgerät oder einen Antriebsmotor, zurück zur Kathode fließen. Die Stärke des Elektrolyts kann auf spezifische Kraft- und Lebensdaueranforderungen zugeschnitten werden, und bei normalen Temperaturen und Konzentrationen kann er mit bloßen Händen sicher gehandhabt werden.

Kathode

[note Rasterelektronenmikroskop (SEM)-Bild der Oberflächenmorphologie einer Open Water-Kathode, hergestellt durch Plattieren von Platin auf einem Titansubstrat. Foto © openwaterpower.com]Die Kathode besteht ebenfalls aus einer Metalllegierung, entweder plattiertes Platin auf einem Titansubstrat (Bild oben) oder Nickel auf Kohlenstoffsubstrat (Bild re.). Die Rolle der Kathode im System ähnelt der Rolle der positiven Elektrode in anderen vorgeschlagenen Metall-Wasser-Batterien: effizientes Aufteilen von Wasser in Hydroxid-Ionen und Wasserstoff-Gas. OWP greift auf die umfangreiche zur Optimierung von Wasserstoff entwickelnden Elektroden in verwandten Bereichen durchgeführte Forschung und Industrietechnik zurück. Diese Art von Elektrode findet Einsatz in vielen industriellen Prozessen und ist auch ein Hauptbestandteil in den Elektrolyseuren auf U-Booten, die atmungsaktive Luft erzeugen.

Wenn die Anode verbraucht ist, wird sie günstig ersetzt. “Unser System schluckt Seewasser und produziert Abfälle”, räumt McKay ein. “Aber die sind verglichen mit denen von Maschinen auf dem Land nicht gefährlich.” Autonome U-Boote, die Unterwasserpipelines auf Lecks untersuchen, können hunderte Kilometer zurücklegen, ehe die Batterien auf Aluminiumbasis leer sind. Das drückt die Kosten, denn sie können von einem Hafen aus starten, ihre Arbeit tun und rechtzeitig zurückkehren, ehe die Akkus leer sind. Bisher müssen die Inspektionsfahrzeuge mit Service-Schiffen zu ihrem Einsatzort gebracht und gelegentlich herausgefischt werden, um die Akkus wieder aufzuladen.

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