Calcium-Connection

Rohstoffe wie Kobalt, Nickel und Lithium sind begrenzt. Mit zunehmender Elektromobilität könnte insbesondere das begrenzte Vorkommen dieser für Lithium-Ionen-Batterien erforderlichen Stoffe zu einem Flaschenhals für die Automotive-Branche werden. „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 im Rahmen der Energiewende Energiespeicher sinnvoll wären“, beschreibt Maximilian Fichtner, Direktor der Forschungsplattform Celest (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Szenario. Fichtner und sein Team setzen daher auf alternative Batterietechnologien. Namentlich forschen die Wissenschaftler an Batterien, respektive korrekter ausgedrückt: an aufladbaren Akkus, die auf Calcium basieren. Der Reiz an Calcium (Elementsymbol: Ca) besteht den Wissenschaftlern zufolge darin, dass es sich um das fünfthäufigste Element in der Erdkruste handelt. Auf unserem Planeten komme es gleichmäßig verteilt vor, zudem könne das Erdalkalimetall Calcium im Vergleich zu Lithium zwei Elektronen pro Atom ab- und aufnehmen, hört man von den Wissenschaftlern. Nicht zu vergessen sei: Calcium liefere eine ähnliche Spannung wie Lithium. Diese Technologie besitze daher das Potenzial, die Lithium-Ionen-Technologie als Energiespeicher der Zukunft abzulösen, so die Forscher.

Ladevorgang erst bei über 75 Grad

Auf dem Weg dorthin findet sich jedoch die ein oder andere Barriere. Für Lithium-Ionen, aber auch für neuere Natrium- oder Magnesium-Technologien, gibt es laut KIT praktikable Elektrolyte. Anders bei Calcium: „Erst seit wenigen Jahren existieren überhaupt experimentelle Elektrolyte und damit Prototypen der Calciumbatterie“, sagen Zhenyou Li, Erstautor einer entsprechenden Studie, und Zhirong Zhao-Karger, Projektleiterin. Beide arbeiten im Exzellenzcluster Post Lithium Storage Cluster of Excellence (PoLiS) am KIT, das die Calciumbatterie im Rahmen der Forschungsplattform Celest weiterentwickelt. Die Schwierigkeit liege darin, dass Calciumbatterien einen Ladevorgang erst bei Temperaturen jenseits von 75 Grad Celsius ermöglichen. Eine Lösung zeichne sich jedoch in Form neuer Elektrolyte ab. Wie die Forscher aktuell melden, gelang es ihnen, eine Klasse Elektrolyte auf Basis spezieller, organischer Calciumsalze zu synthetisieren, die Ladevorgänge auch bei Zimmertemperatur ermöglichen. Mit dem neuen Elektrolyten Calciumtetrakis[hexafluoroisopropyloxy]borat könne man nachweisen, dass Calciumbatterien mit hoher Energiedichte, Speicherkapazität und Schnellladefähigkeit möglich seien. Die Forscher haben ihre Ergebnisse bereits in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science vorgestellt. Zu möglichen Einsatzszenarien hält sich KIT-Experte Fichtner noch bedeckt. Sinnvolle Aussagen könne man derzeit nur für Na-Ionen-Batterien treffen, die in ein bis zwei Jahren auf den Markt kommen sollen, sagt der Wissenschaftler gegenüber Automobil Produktion. Diese im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien etwas größeren und schwereren Systeme sieht Fichtner eher im stationären Anwendungsumfeld. Magnesium- und Calciumbatterien könnten womöglich kompakter ausfallen.

Langer Anforderungskatalog

Da man sich noch im Forschungsstadium befinde, sei eine zuverlässige Aussage über die spätere Größe, das Gewicht sowie die Lebensdauer solcher Batterien heute aber noch nicht möglich. Wann treten die calciumbasierten Systeme aus dem Laborumfeld heraus? Als wesentlichen Schritt dazu nennt das Team um Fichtner, Li und Zhao-Karger die Entwicklung geeigneter Elektroden. Konkret geht es um Elektroden, die in der Lage sind, möglichst hohe Spannungen und Speicherkapazitäten zu liefern. Die Materialien müssen laut den Wissenschaftlern aus nachhaltigen Rohstoffen darstellbar sein und mit dem Elektrolyten harmonieren. Zudem sollten sie viele Be- und Entladezyklen erlauben. In diesem Anforderungskatalog sehen die Entwickler die größten Herausforderungen. Zudem gelte es den Wirkungsgrad noch zu verbessern. Die Ca-Batterie befinde sich erst am Anfang der Entwicklung, sagen die Forscher. Sie verweisen darauf, dass es in der Vergangenheit etwa zwei oder mehr Jahrzehnte dauerte, bis sich eine neue Batterietechnologie als tragfähig erwies und auf den Markt gebracht werden konnte. Derzeit sei es daher noch zu früh, Aussagen zum Potenzial der industriellen Fertigung von Ca-Batterien zu treffen. Am Anfang eines solchen Vorhabens stehe erst einmal die prinzipielle Machbarkeit, sagen die Forscher.

Kostenreduzierung der Batterien

Bereits Ende April meldete das KIT die Arbeit an Natrium-Ionen-Akkus im Rahmen des Projekts „Transition“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für drei Jahre mit 1,15 Millionen Euro gefördert wird. Gemeinsam mit dem Helmholtz-Institut Ulm (HIU), dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) werden passende Aktivmaterialien und Elektrolyte entwickelt. Ein Ziel ist es, leistungsfähige Flüssig- und Polymerelektrolyt-Natrium-Ionen-Batterien für die Anwendung in der Elektromobilität und stationären Energiespeicherung umzusetzen. Die Systeme verwenden auf der Kathodenseite Übergangsmetallschichtoxide sowie auf der Anodenseite Hartkohlenstoff aus Biomasse. Wie Stefano Passerini, Direktor des HIU, beschreibt, verspricht man sich aufgrund dieser Zielvorgabe eine erhöhte Nachhaltigkeit und Kostenreduzierung bei Batterien. Zwar sei die Performance von Na-Ionen-Batterien begrenzt, eine Eignung sehe man jedoch für stationäre Anwendungen wie auch bei Light-Duty-/Short-Range-Fahrzeugen. Fortschritte hält der Wissenschaftler für möglich und erinnert daran, dass sich die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien dank intensiver Forschungen auf dem Gebiet der Materialien seit der Kommerzialisierung um den Faktor drei verbessert habe.