Aufladbar bei Zimmertemperatur

Calciumbatterien: Neue Elektrolyte, verbesserte Eigenschaften

KIT und Helmholtz-Institut Ulm (HIU) entwickelten jetzt erstmals Elektrolyte für Calciumbatterien, mit brauchbaren Eigenschaften bei Raumtemperatur. Batterien auf Basis von Calcium versprechen eine günstige Herstellung und ein hohe Energiedichte. Diese Technologie aus dem Labor besitzt das Potenzial, als Energiespeicher der Zukunft die Lithium-Ionen-Technologie abzulösen. Mit den bislang verfügbaren Elektrolyten gelang es aber nicht, Calciumbatterien bei Zimmertemperatur aufzuladen. KIT-Angehörige haben in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science nun eine vielversprechende Elektrolytklasse vorgestellt, die das erstmals möglich macht. (DOI: 10.1039/c9ee01699f)

Aus Energy & Environmental Science

“Die Entwicklung effizienter Energiespeichertechnologien ist von größter Bedeutung für den Einsatz Erneuerbarer Energien, um den steigenden Bedarf zu decken und die Emissionsminderungsziele zu erreichen. Wiederaufladbare Batterien gelten als die praktikabelste Lösung für diese Speicheranwendungen. Der globale Markt für Elektrofahrzeuge und Netzstromspeicher hat jedoch Bedenken hinsichtlich der Sicherheit, der Kosten und der Nachhaltigkeit der derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien aufgeworfen. Batteriesysteme auf der Basis von mehrwertigen Metallen wie Magnesium und Calcium haben als eine der meistversprechenden Technologien der nächsten Generation großes Interesse geweckt. Eine zentrale Herausforderung bei der Realisierung von wiederaufladbaren Ca-Batterien ist die Entwicklung eines praktischen Elektrolyten zur effizienten Ca-Abscheidung. In dieser Arbeit präsentieren wir einen neuartigen Elektrolyten mit einem breiten elektrochemischen Fenster und guter chemischer Stabilität, der den Weg für hochenergetische Ca-Batterien ebnen kann.”

Erst effiziente, große und kostengünstige Energiespeicher eröffnen die Möglichkeit einer flächendeckenden Umstellung auf emissionsfreie Mobilität und Stromversorgung. Doch die heute dominierende Lithium-Ionen-Technologie kann diese Aufgabe in globalem Maßstab  nicht erfüllen, sagt Professor Maximilian Fichtner vom KIT, Direktor der Forschungsplattform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe), die Calciumbatterien und weitere Speichertechnologien erforscht. „Lithium-Ionen-Batterien kommen von ihrer Performance und manchen darin verwendeten Rohstoffen mittelfristig an ihre Grenzen und könnten dann nicht überall dort eingesetzt werden, wo in Rahmen der Energiewende Energiespeicher sinnvoll wären. Wir verfügen nur über begrenzte Vorkommen von Rohstoffen wie Kobalt, Nickel und Lithium, die für die Herstellung notwendig sind.“

Vor kurzem vorgestellt: Natrium-Feststoffbatterie – Foto © Forschungszentrum Jülich, T. Lan

Stattdessen setzen er und sein Team, das am vom KIT in Kooperation mit der Universität Ulm gegründeten HIU angesiedelt ist, auf alternative Batterietechnologien. Diese basieren auf Rohstoffen, die auf der Erde viel häufiger vorkommen. Das Element Calcium hält er dabei für einen vielversprechenden Kandidaten, da Calcium etwa 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. „Erst seit wenigen Jahren existieren überhaupt experimentelle Elektrolyte und damit Prototypen der Calciumbatterie“, erklären Zhenyou Li, Erstautor der Studie und 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. „Diese ermöglichen einen Ladevorgang aber erst bei Temperaturen jenseits der 75 Grad Celsius und sind dabei noch anfällig für unerwünschte Nebenreaktionen.“

Zhirong Zhao-Karger (li.) und Zhenyou Li aus dem Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence) gelang es, vielversprechende Elektrolyte für Calciumbatterien herzustellen – Foto © Markus Breig/KIT

Nun 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 nun nachweisen, dass Calciumbatterien mit hoher Energiedichte, Speicherkapazität und Schnellladefähigkeit möglich sind.

Calciumbatterien als nachhaltige Energiespeicher

Die neue Elektrolytklasse schafft nun 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 könnte das noch eine Weile dauern: „Die neuen Elektrolyte sind ein erster wichtiger Schritt“, betont Fichtner. „Bis zur marktreifen Calciumbatterie haben wir noch einen weiten Weg vor uns.“

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