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46 DESIGN&ELEKTRONIK 13 2020 www designelektronik de Quelle Andreas160578 Pixabay Stromversorgung Batterien und Akkus Jenseits von Lithium Auch wenn wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien hervorragend sind bemühen sich Forscher weltweit andere Zellchemien zu entwickeln und marktreif zu machen Im Folgenden ein Überblick über Forschungsarbeiten der letzten Monate jenseits von Lithium meist auf Basis von Kochsalz Ralf Higgelke Viele heute verwendete Batterien belasten die Umwelt erheblich nicht zuletzt durch den Abbau der darin verwendeten Metalle »Deshalb haben wir im Rahmen unserer Forschung eine Batterie entwickelt die aus häufig in der Natur vorkommenden Elementen aufgebaut ist und die zur Herstellung organischer Batteriematerialien verwendet werden können« erklärt Christian Strietzel von der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der Universität Uppsala Aus diesem Grund wählte das Forscherteam Chinone als Aktivmaterial für ihre Protonen-Batterie 1 Diese organischen Kohlenstoffverbindungen kommen in der Natur reichlich vor zum Beispiel bei der Photosynthese Die Eigenschaft der Chinone die sich die Forscher zunutze gemacht haben ist ihre Fähigkeit beim Laden und Entladen der Batterie WasserstoffIonen sprich Protonen zu absorbieren und wieder abzugeben Als Elektrolyt dient eine säurehaltige wässrige Lösung um die Protonen innerhalb der Batterie zu transportiert Dies ist nicht nur umweltfreundlich sondern bietet auch Sicherheit weil nicht die Gefahr besteht dass die Batterie brennt oder gar explodiert Aber das ist nicht der einzige Vorteil dieser Protonenbatterie Denn sie kommt ohne die anspruchsvolle Elektronik aus wie sie für Lithium-Ionen-Batterien erforderlich ist Ein weiterer Vorteil ist dass die Batterie unabhängig von den Umgebungstemperaturen ist »Bekanntlich nimmt die Leistung von herkömmlichen Batterien bei niedrigen Temperaturen ab Wir konnten nachweisen dass unsere organische Protonenbatterie ihre Eigenschaften zum Beispiel ihre Kapazität bis hinunter zu 24 °Cbeibehält« erklärt Strietzel »Es bleibt noch viel Entwicklungsarbeit an der Batterie zu leisten bevor sie zu einem Alltagsgegenstand wird« betont der Forscher »Doch unsere Protonenbatterie ist ein großer Schritt in Richtung einer zukünftigen Herstellung von nachhaltigen organischen Batterien « ■ Kathode für NatriumIonen-Batterien Eine wiederaufladbare Natrium-IonenBatterie mit einer ähnlichen Kapazität wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien hat ein Team der Washington State University und des Pacific Northwest National Laboratory entwickelt 2 Bis dato war es nicht gelungen Natrium-Ionen-Batterien zu entwickeln die so viel Energie speichern wie Lithium-Ionen-Batterien Auch das Aufladen erfolgte nicht schnell und effizient genug Ein zentrales Problem für einige der aussichtsreichsten Katodenmaterialien besteht darin dass sich an der Oberfläche der Kathode eine Schicht inaktiver Natriumkristalle bildet die den Fluss der Natrium-Ionen stoppt und folglich die Batterie zerstört Diese Vorgang heißt im Fachjargon Plating und kann auch bei Lithium-Ionen-Batterien auftreten »Die zentrale Herausforderung« so Junhua Song Bild 1 Erstautor der Studie »besteht darin dass die Batterie sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine gute Zyklenfestigkeit aufweist « Nach tausend Ladezyklen blieben bei dieser Natrium-Ionen-Batterie immerhin noch 80 Prozent Restkapazität Im Rahmen dieser Arbeit schuf das Team eine Kathode aus geschichtetem Metalloxid und einen flüssigen Elektrolyten der zusätzliche Natrium-Ionen enthielt Dadurch wurde die Lösung salziger und interagierte besser mit der Kathode Durch den Aufbau der Kathode und des Elektrolytsystems bleiben die Natrium-Ionen ständig in Bewegung sodass sich an der Oberfläche keine inaktiven Kristalle ansammeln und der elektrische Strom ungehindert fließen kann Die Forscher arbeiten nun daran die Wechselwirkung zwischen Elektrolyt und Kathode besser zu verstehen So können