MIT-Forscher verhindern Selbstentladung durch Rosten
Ein neues Design könnte die Haltbarkeit von Einweg-Metall-Luft-Batterien für Elektrofahrzeuge, netzferne Lagerung und andere Anwendungen erheblich verlängern, schrieb David L. Chandler am 08.11.2018 aus dem MIT-Nachrichtenbüro in MIT-News: MIT-Forscher versetzten den Elektrolyten von Aluminium-Luft-Batterien mit Öl, sobald die Akkus nicht genutzt wurden.
Sie pumpten unmittelbar nach dem Gebrauchsende Öl hinein. Ergebnis: Die Aluminiumelektrode korrodierte fast nicht. Sobald wieder Strom entnommen wird, wird das Öl wieder durch reine Elektrolytflüssigkeit ersetzt. Metall-Luft-Batterien sind zwar mit die leichtesten und kompaktesten Batterietypen auf dem Markt, können aber eine große Schwäche haben: Wenn sie nicht in Gebrauch sind, bauen sie sich schnell ab, da Korrosion an ihren Metallelektroden frisst.
Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA, haben jetzt einen Weg gefunden, diese Korrosion deutlich zu reduzieren, so dass solche Batterien eine wesentlich längere Haltbarkeit haben. Während typische wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus nach einem Monat Lagerung nur etwa 5 Prozent ihrer Ladung verlieren, sind sie für viele Anwendungen zu teuer, sperrig oder schwer. Primäre (nicht wiederaufladbare) Aluminium-Luft-Batterien sind viel billiger, kompakter und leichter, aber sie können 80 Prozent ihrer Ladung pro Monat verlieren.
Das MIT-Design überwindet das Problem der Korrosion in Aluminium-Luft-Batterien, indem es eine Ölsperre zwischen der Aluminium-Elektrode und dem Elektrolyten einführt – die Flüssigkeit zwischen den beiden Batterie-Elektroden, die das Aluminium verbrennt, wenn sich die Batterie im Standby-Modus befindet. Das Öl wird schnell abgepumpt und durch Elektrolyt ersetzt, sobald die Batterie benutzt wird. Das reduziert die Verluste pro Monat auf 0,02 Prozent – statt bisher 80 Prozent – mehr als eine tausendfache Verbesserung.
Die Ergebnisse wurden am 09.11.2018 in der Zeitschrift Science vom ehemaligen MIT-Absolventen Brandon J. Hopkins, von W.M. Keck-Professor für Energie Yang Shao-Horn und Douglas P. Hart, Professor für Maschinenbau, veröffentlicht.
Während mehrere andere Methoden verwendet wurden, um die Haltbarkeit von Metall-Luft-Batterien zu verlängern (die andere Metalle wie Natrium, Lithium, Magnesium, Zink oder Eisen verwenden können), können diese Methoden die Leistung beeinträchtigen, sagt Hopkins. Die meisten anderen Ansätze beinhalten den Austausch des Elektrolyten durch eine andere, weniger korrosive chemische Substanz, aber diese Alternativen reduzieren die Batterieleistung drastisch.
Andere Methoden bestehen im Heraus- und Hineinpumpen des Flüssigelektrolyten während der Lagerung und vor dem Gebrauch. Diese Methoden ermöglichen immer noch eine erhebliche Korrosion und können die Sanitärsysteme im Batteriepack verstopfen. Da Aluminium auch nach der Entleerung des Elektrolyten aus der Packung hydrophil (wasseranziehend) bleibt, haftet der verbleibende Elektrolyt an den Aluminium-Elektrodenoberflächen. „Die Batterien haben komplexe Strukturen, so dass es viele Ecken gibt, in denen sich der Elektrolyt verfangen kann“, was zu anhaltender Korrosion führe, erklärt Hopkins.
Um die Fähigkeit von Aluminium zu demonstrieren, Öl unter Wasser abzuweisen, tauchten die Forscher diese Aluminiumprobe in ein Becherglas mit einer Ölschicht, die auf Wasser schwamm. Wenn die Probe in die Wasserschicht eindrang, fällt das gesamte Öl, das auf dem Weg nach unten an der Oberfläche haftet, schnell ab und zeigt seine Eigenschaft der Unterwasser-Öleophobie. Mit freundlicher Genehmigung der Forscher.
Ein Schlüssel zum neuen System ist eine dünne Membran, die zwischen den Batterieelektroden platziert wird. Wenn die Batterie in Gebrauch ist, werden beide Seiten der Membran mit einem flüssigen Elektrolyten gefüllt, aber wenn die Batterie in den Standby-Modus versetzt wird, wird Öl in die Seite gepumpt, die der Aluminiumelektrode am nächsten liegt, was die Aluminiumoberfläche vor dem Elektrolyten auf der anderen Seite der Membran schützt.
Aluminiumoberfläche oleophob
Das neue Batteriesystem nutzt auch eine Eigenschaft von Aluminium, die „Unterwasser-Oleophobie“ genannt wird, d.h. wenn Aluminium in Wasser eingetaucht wird, stößt es Öl von seiner Oberfläche ab. Wenn die Batterie reaktiviert und der Elektrolyt wieder eingepumpt wird, verdrängt der Elektrolyt das Öl leicht von der Aluminiumoberfläche, wodurch die Leistungsfähigkeit der Batterie wiederhergestellt wird. Ironischerweise nutzt die MIT-Methode zur Korrosionsunterdrückung die gleiche Eigenschaft von Aluminium, welche die Korrosion in konventionellen Systemen fördert.
Das Ergebnis ist ein Prototyp aus Aluminium-Luft mit einer wesentlich längeren Haltbarkeit als bei herkömmlichen Aluminium-Luft-Batterien. Die Forscher zeigten, dass, wenn die Batterie wiederholt verwendet und dann für ein bis zwei Tage in den Standby-Modus versetzt wurde, das MIT-Design 24 Tage dauerte, während das herkömmliche Design nur drei Tage dauerte. Selbst wenn Öl und ein Pumpsystem in vergrößerten primären Aluminium-Luft-Batteriepaketen enthalten sind, sind sie immer noch fünfmal leichter und doppelt so kompakt wie wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriepakete für Elektrofahrzeuge, berichten die Forscher.
Hart erklärt, dass Aluminium nicht nur sehr preiswert ist, sondern auch eines der „höchsten chemischen Energiedichte-Speichermaterialien, die wir kennen“ – das heißt, es ist in der Lage, mehr Energie pro Pfund zu speichern und zu liefern als fast alles andere, wobei nur Brom, das teuer und gefährlich ist, vergleichbar ist. Er sagt, dass viele Experten denken, dass Aluminium-Luft-Batterien der einzige brauchbare Ersatz für Lithium-Ionen-Batterien und für Benzin in Autos sein können.
Aluminium-Luft-Batterien wurden als Reichweitenverlängerer für Elektrofahrzeuge verwendet, um die eingebauten wiederaufladbaren Batterien zu ergänzen und viele zusätzliche Kilometer Fahrt zu ermöglichen, wenn die eingebaute Batterie leer ist. Sie werden manchmal auch als Stromquellen an abgelegenen Orten oder für einige Unterwasserfahrzeuge verwendet. Solche Batterien können zwar über einen längeren Zeitraum gelagert werden, solange sie unbenutzt sind, aber sobald sie zum ersten Mal eingeschaltet werden, beginnen sie sich schnell zu verbrauchen.
Solche Anwendungen könnten von diesem neuen System sehr profitieren, erklärt Hart, denn mit den bestehenden Versionen „kann man es nicht wirklich abschalten“. Man kann es spülen und den Prozess verzögern, aber man kann es nicht wirklich ausschalten.“ Wenn das neue System jedoch z.B. als Reichweitenverlängerer in einem Auto eingesetzt würde, „könnte man es benutzen und dann in die Einfahrt fahren und einen Monat lang parken, dann wiederkommen und trotzdem erwarten, dass es eine brauchbare Batterie hat. …. Ich denke wirklich, dass das ein Wendepunkt in Bezug auf die Verwendung dieser Batterien ist.“
Mit der höheren Haltbarkeit dieses neue Systems könnte der Einsatz von Aluminium-Luft-Batterien „über die aktuellen Nischenanwendungen hinausgehen“, sagt Hopkins. Das Team hat das Verfahren bereits zum Patent angemeldet.
„Die hier vorgestellte Technik ist insofern überzeugend, als sie die erforderliche Öl- und Membranbeschaffenheit anhand der grundlegenden Oberflächenphysik abschätzt und die Ergebnisse die vorhergesagte Leistung demonstriert“, sagt Robert Savinell, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Case Western Reserve University in Ohio, der nicht an dieser Forschung beteiligt war. „Diese Arbeit kann in der Tat den Bedarf an teuren hochreinen Metallen und Legierungen für Primärmetall-Luft-Batterien verringern und die Komplexität der Elektrolytzusätze verringern.“
Savinell fügt hinzu: „Die Fähigkeit, nutzbare Energie aus Aluminium-Luft-Batterien mit hoher Energiedichte effizient zu gewinnen, insbesondere unter intermittierenden Einsatzbedingungen, wird die Entwicklung und Verbesserung von Technologien erleichtern, die sehr hohe Energiedichten für einen längeren Betrieb erfordern.
[note pressetext.de: Ende des vergangenen Jahrtausends weckte die Aluminium-Luft-Batterie schon gewaltige Hoffnungen. Die Deutsche Post wollte ihre Flotte umrüsten und mit derartigen Batterien ausstatten, die ein israelisches Unternehmen entwickelt hatte. Doch daraus wurde nichts, weil die Selbstentladung zu hoch und die Lebensdauer zu kurz war.]
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