Ein Schritt für eine vielversprechende neue Batterie zur Speicherung sauberer Energie

2020-04-21 11:20:34

Die Forscher haben eine effizientere und zuverlässigere Kalium-Sauerstoff-Batterie gebaut, ein Schritt in Richtung einer möglichen Lösung für die Energiespeicherung im Stromnetz des Landes und langlebigere Batterien in Mobiltelefonen und Laptops.


In einer Studie, die am Freitag in der Zeitschrift Batteries and Supercaps veröffentlicht wurde, erläuterten Forscher der Ohio State University ihre Ergebnisse zum Aufbau der Kathode der Batterie, die die durch eine chemische Reaktion erzeugte Energie in einer Metall-Sauerstoff- oder Metall-Luft-Batterie speichert. Das Ergebnis, so die Forscher, könnte erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind durch billigere und effizientere Energiespeicher zu rentableren Optionen für das Stromnetz machen.

"Wenn Sie eine vollständig erneuerbare Option für das Stromnetz wählen möchten, benötigen Sie wirtschaftliche Energiespeicher, die überschüssigen Strom speichern und wieder abgeben können, wenn die Quelle nicht bereit ist oder funktioniert", sagte Vishnu- Baba Sundaresan, Mitautor der Studie und Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am Ohio State. "Technologie wie diese ist der Schlüssel, weil sie billig ist, keine exotischen Materialien verwendet und überall hergestellt werden kann und die lokale Wirtschaft fördert."

Erneuerbare Energiequellen emittieren kein Kohlendioxid und tragen daher nicht zur globalen Erwärmung bei. Sie liefern jedoch nur dann Energie, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht. Damit sie zuverlässige Energiequellen für das Energienetz einer Region sind, muss es eine Möglichkeit geben, überschüssige Energie aus Sonnenschein und Wind zu speichern.

Unternehmen, Wissenschaftler und Regierungen auf der ganzen Welt arbeiten an Speicherlösungen, die von Lithium-Ionen-Batterien - größere Versionen der in vielen Elektrofahrzeugen - bis hin zu Riesenbatterien von der Größe eines Big-Box-Geschäfts aus Metall-Vanadium reichen.

Kalium-Sauerstoff-Batterien sind seit ihrer Erfindung im Jahr 2013 eine potenzielle Alternative für die Energiespeicherung. Ein Forscherteam aus dem Bundesstaat Ohio unter der Leitung von Chemieprofessor Yiying Wu zeigte, dass die Batterien bei gleichzeitiger Lagerung effizienter als Lithium-Sauerstoff-Batterien sein können etwa doppelt so viel Energie wie vorhandene Lithium-Ionen-Batterien. Kalium-Sauerstoff-Batterien wurden jedoch nicht häufig zur Energiespeicherung verwendet, da sie bisher nicht ausreichend oft aufgeladen werden konnten, um kostengünstig zu sein.

Als die Teams versuchten, eine Kalium-Sauerstoff-Batterie zu entwickeln, die eine brauchbare Speicherlösung sein könnte, stießen sie immer wieder auf eine Straßensperre: Die Batterie verschlechterte sich mit jeder Ladung und dauerte nie länger als fünf oder zehn Ladezyklen - bei weitem nicht genug, um die Batterie zu einer Batterie zu machen kostengünstige Lösung zur Stromspeicherung. Diese Verschlechterung geschah, weil sich Sauerstoff in die Anode der Batterie eingeschlichen hatte - der Ort, an dem Elektronen ein Gerät aufladen können, sei es ein Mobiltelefon oder ein Stromnetz. Durch den Sauerstoff brach die Anode zusammen, sodass die Batterie selbst keine Ladung mehr liefern konnte.

Paul Gilmore, Doktorand in Sundaresans Labor, begann, Polymere in die Kathode einzubauen, um zu prüfen, ob er die Anode möglicherweise vor Sauerstoff schützen kann. Wenn er einen Weg finden könnte, dies zu tun, dachte er, würde dies Kalium-Sauerstoff-Batterien eine Chance auf eine längere Lebensdauer geben. Es stellte sich heraus, dass er Recht hatte: Das Team erkannte, dass die Schwellung des Polymers eine entscheidende Rolle für seine Leistung spielte. Der Schlüssel, sagte Gilmore, bestand darin, einen Weg zu finden, Sauerstoff in die Batterie zu bringen - notwendig, damit sie funktioniert -, ohne dass Sauerstoff in die Anode eindringen kann.

Dieses Design funktioniert ein bisschen wie die menschliche Lunge: Luft gelangt durch eine faserige Kohlenstoffschicht in die Batterie, trifft dann auf eine zweite Schicht, die etwas weniger porös ist, und endet schließlich mit einer dritten Schicht, die überhaupt kaum porös ist. Diese dritte Schicht aus dem leitenden Polymer ermöglicht es Kaliumionen, sich durch die Kathode zu bewegen, verhindert jedoch, dass molekularer Sauerstoff zur Anode gelangt. Das Design bedeutet, dass die Batterie mindestens 125-mal aufgeladen werden kann - was Kalium-Sauerstoff-Batterien mehr als 12-mal so langlebig macht wie bisher mit kostengünstigen Elektrolyten.

Die Ergebnisse zeigen, dass dies möglich ist, aber die Tests des Teams haben nicht bewiesen, dass die Batterien in dem für die Stromnetzspeicherung erforderlichen Maßstab hergestellt werden können, sagte Sundaresan. Es zeigt jedoch Potenzial.

Gilmore sagte, dass das Potenzial auch für Kalium-Sauerstoff-Batterien bestehen könnte, um in anderen Anwendungen nützlich zu sein.

"Sauerstoffbatterien haben eine höhere Energiedichte, was bedeutet, dass sie beispielsweise die Reichweite von Elektrofahrzeugen und die Batterielebensdauer tragbarer Elektronik verbessern können, obwohl andere Herausforderungen bewältigt werden müssen, bevor Kalium-Sauerstoff-Batterien für diese Anwendungen geeignet sind", sagte er.

Und das Ergebnis bietet eine Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien und anderen, die auf Kobalt basieren, einem Material, das als "Blutdiamant der Batterien" bezeichnet wurde. Der Abbau des Materials ist so beunruhigend, dass große Unternehmen, darunter TESLA, ihre Pläne angekündigt haben, es vollständig aus Batterien zu entfernen.

"Es ist sehr wichtig, dass Batterien für Großanwendungen kein Kobalt verwenden", sagte Sundaresan.

Und es ist auch wichtig, dass der Akku billig hergestellt werden kann. Lithium-Sauerstoff-Batterien - eine mögliche Energiespeicherlösung, die allgemein als eine der praktikabelsten Optionen angesehen wird - können teuer sein, und viele sind auf knappe Ressourcen, einschließlich Kobalt, angewiesen. Die Lithium-Ionen-Batterien, die viele Elektroautos antreiben, kosten auf Materialebene rund 100 US-Dollar pro Kilowattstunde.

Die Forscher schätzten, dass diese Kalium-Sauerstoff-Batterie etwa 44 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten wird.

"Wenn es um Batterien geht, passt eine Größe nicht für alle", sagte Sundaresan. "Für Kalium-Sauerstoff- und Lithium-Sauerstoff-Batterien waren die Kosten für die Verwendung als Netzstrom-Backup unerschwinglich. Aber jetzt, da wir gezeigt haben, dass wir eine Batterie so billig und stabil machen können, kann sie mit anderen konkurrieren Technologien für die Netzstromversorgung.

"Wenn Sie eine kleine Batterie haben, die billig ist, können Sie über eine Vergrößerung sprechen. Wenn Sie eine kleinere Batterie haben, die 1.000 US-Dollar pro Pop kostet, ist eine Vergrößerung einfach nicht möglich. Dies öffnet die Tür für eine Vergrößerung. ""