Nachhaltige Batterien für die Zukunft

Batterien sind im Kampf gegen fossile Brennstoffe nicht mehr wegzudenken – auch von ihnen hängt die Energiewende ab. Doch ihre Herstellung braucht viel Energie, die verwendeten Materialien sind selten, zudem sind Batterien schwer zu recyceln. Gleich mehrere Forschungsgruppen am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) arbeiten daher an neuen, umweltfreundlicheren und effizienteren Batterien.

Man findet sie in Handys, Laptops und Elektroautos – Lithium-Ionen-Batterien, auch Li-Ionen-Batterien genannt. Trotz jeder Menge Vorteile sorgt die Technologie für zahlreiche Probleme: Die in den Batteriezellen verwendeten Metalle – vor allem Kobalt und Lithium – können nur an wenigen Orten auf der Welt gewonnen werden. Dafür werden Ökosysteme zerstört, Menschen schuften unter katastrophalen Arbeitsbedingungen und die Industrie ist stark abhängig von einer fragilen Lieferkette, bei der ein plötzlicher Abbruch drastische Folgen hätte.

Forschungsgruppen im Bereich der Chemie und Physik am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) versuchen, diese Probleme zu lösen. Sie sind auf der Suche nach neuen Materialien, um Batterien nachhaltiger zu machen.

Lithium-Ionen-Batterien erklärt

Ein Blick in eine Lithium-Ionen Batteriezelle. © ISTA

Während des Entladezyklus gibt eine negativ geladene Elektrode (Anode), die normalerweise aus Graphit besteht, Lithium-Ionen (Li-Ionen) an den Elektrolyten – ein flüssiges Medium, das die Ionen Übertragung ermöglicht – und Elektronen an den äußeren Stromkreis ab. Die positiv geladenen Li-Ionen wandern durch den Elektrolyten zu einer positiven Elektrode (Kathode), die meistens aus Kobaltoxiden besteht. Dort angekommen, gleichen sie die Ladung der aus dem äußeren Kreislauf kommenden Elektronen aus. Dieser Ionenfluss erzeugt den Strom, der das Gerät mit Energie versorgt. Schließt man das Gerät an eine Steckdose an, wird die Batterie wieder aufgeladen. Die umgekehrte Reaktion findet statt – Li-Ionen und Elektronen wandern zur Anode zurück. Eine Membran trennt die beiden Seiten des Akkus. Sie erlaubt es den Li-Ionen, aber nicht den Elektronen, sich frei zwischen den Elektroden zu bewegen.

Recycling durch die Natur

2021 war das erste Jahr, in dem die Kosten für Li-Ionen-Batterien gestiegen sind. „Der Grund dafür ist der Engpass bei Materialien wie Kobalt und Lithium, die essenziell für Li-Ionen Batterien sind, sowie ihre sprunghaft angestiegene Nachfrage“, erklärt Stefan Freunberger, Assistenz Professor am ISTA. Die gute Nachricht: Man kann Kobalt ersetzen. Genau das versucht Freunberger. Seine Forschungsgruppe konzentriert sich darauf, Batterien aus reichlich vorhandenen Elementen zu entwickeln, die genauso leistungsfähig sind wie Li-Ionen-Batterien. Dabei setzen sie auf Materialien, die aus Elementen wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen und aus organischen Quellen stammen. Auch anorganische Elemente wie Schwefel untersuchen die Forscher:innen.

Die verwendeten Materialien könnten im Gegensatz zu kobalt-basierten Materialien vollständig von der Natur recycelt werden. Auch der Gesamtenergiebedarf für die Batterieherstellung kann reduziert werden. „Normalerweise verbraucht die Herstellung von Li-Ionen-Batterien viel Energie und hat einen großen CO₂-Fußabdruck. Durch die Verwendung der richtigen Materialien können diese Werte deutlich gesenkt werden“, so Freunberger. „Wenn alles gut geht, werden wir schon in wenigen Jahren funktionale Batterien aus organischen Elementen haben. Unsere Ergebnisse sind sehr vielversprechend“, resümiert Freunberger. Unterstützt werden die Forscher:innen in ihrem ehrgeizigen Vorhaben durch einen ERC Proof of Concept Grant, der bei der Bewertung des kommerziellen Potenzials von Forschungsergebnisse hilft.

Magnesium: Der Hoffnungsträger

Ein Material, das umweltschonend abgebaut werden könnte, ist Magnesium. Es ist zudem eines der zehn häufigsten Elemente der Erdkruste. Um dieses silbrig glänzende Leichtmetall dreht sich „MAGNIFICO“. Bei diesem Projekt arbeiten Forscher:innen des ISTA mit Kolleg:innen des Austrian Institute of Technology (AIT) zusammen und werden von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unterstützt. Gemeinsam wollen sie eine neue Technologie implementieren, bei der Magnesium das Lithium in Batterien ersetzt. Die Herausforderung: Magnesium hat zwar die richtigen elektrochemischen Eigenschaften, jedoch sind Magnesiumanoden mit den meisten Elektrolyten – dem Medium, welches den Stromfluss in der Batterie ermöglicht – nicht kompatibel. Magnesium zersetzt den Elektrolyten, wodurch die elektrische Leitfähigkeit eingeschränkt wird. Ziel der Wissenschafter:innen ist es, die Anode abzuschirmen und so zu verhindern, dass der Elektrolyt zersetzt wird. ISTA-Assistenz Professorin Bingqing Cheng und ihre Forschungsgruppe tragen mithilfe von Berechnungen und maschinellem Lernen dazu bei, die Eigenschaften von Materialien zu verstehen und vorherzusagen.

Redox-Flow-Batterien erklärt

Aufbau einer Redox-Flow-Batterie. © ISTA

Redox-Flow-Batterien sind ideal für Anwendungen in der Industrie, die eine lange Entladezeit bei gleichbleibender Leistung erfordern. Sie bestehen aus zwei getrennten Tanks, die mit einem Elektrolyten und einer gelösten chemischen Substanz gefüllt sind, die die Redoxreaktion (Verlust oder Gewinn von Elektronen) durchführen. Wenn Energie benötigt wird, werden die positiv und negativ geladenen Elektrolyte durch die Zelle gepumpt, wo sie an der positiven bzw. negativen Elektrode Elektronen aufnehmen bzw. abgeben. Dadurch fließt der Strom durch die externe Verbraucherquelle. Die Ionen passieren zum Ladungsausgleich den Separator (Membran). Je größer die Zelle, desto mehr Energie liefert sie und auch ein größerer Tank sorgt dafür, dass mehr Energie im System gespeichert werden kann. Man kann also beide Größen unabhängig voneinander skalieren – ein einzigartiges Merkmal von Redox-Flow-Batterien.

Industrielle Batterien neu gedacht

Während Li-Ionen-Akkus vor allem in den zahllosen Elektrogeräten unseres Alltags verbaut sind, denkt die Forschungsgruppe von VERBUND-Professor of Energy Science Maria Ibáñez am ISTA größer. „Industrieunternehmen haben den höchsten Energiebedarf“, erklärt Postdoc Mario Palacios Corella. „Unser Ziel ist es, sie mit einer neuen, nachhaltigeren Redox-Flow-Batterietechnologie zu versorgen.“

Herkömmliche Redox-Flow-Batterien enthalten eine ionenselektive Membran, die als Nafion bekannt ist. Diese sehr langlebige Chemikalie ist nicht nur teuer, sie hat auch gravierende negative Umweltauswirkungen. Die neuen Batterien, an denen die Forscher:innen in Klosterneuburg im von der EU geförderten Projekt „MeBattery“ mitarbeiten, kommen ganz ohne diese Trennmembran aus. Dazu experimentiert die Gruppe mit verschiedenen chemischen Substanzen und deren Fähigkeit, sich zu vermischen und elektroaktive Materialien zu bilden.

„In Redox-Flow-Batterien werden chemische Stoffe, die Elektronen aufnehmen oder abgeben können, in Elektrolyten gelöst und in zwei verschiedenen Tanks gelagert“, so Corella. Wenn Energie benötigt wird, werden die Elektrolyte in eine Reaktionskammer gepumpt. Dort sind beide Elektrolyte durch eine Membran getrennt. Diese ermöglicht den Fluss der Ionen, nicht aber den der gelösten chemischen Stoffe. Spontane elektrochemische Reaktion, die auf beiden Seiten der Membran stattfinden, führt zu einem Elektronenfluss und damit zur Stromerzeugung. „Indem wir die physikalischen Eigenschaften der Elektrolyte ausnutzen und mit ihrer Mischbarkeit spielen, können wir die Membran entfernen. Das ist ein Durchbruch“, erklärt der junge Chemiker weiter.

Von reichlich verfügbaren Elementen, als Ersatz für seltene Metalle, bis hin zu gänzlich neuen Materialien – mit ihren innovativen Ansätzen arbeiten die Wissenschafter:innen am ISTA an den Grundlagen umweltfreundlicherer und nachhaltigerer Energiesysteme.