Batterieforschung: „Plexiglas-Akku“ verspricht Hunderttausende Ladezyklen

Dr. Klaus Decken - 4. Mai 2016

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An sich haben Nanodrahtbatterien das Potential, die Lebensdauer von Akkus bis ins Unendliche zu verlängern. Nanodrähte haben einen Umfang von einem Tausendstel eines menschlichen...

Glasbatterie: Neuer Feststoffakku steht vor der Marktreife

Nachrichten von neuen revolutionären Batterietechniken sind inzwischen nichts Neues mehr. Jedoch gibt es im Meer erfinderischer und futuristischer Neuheiten immer mal wieder eine Idee, die besonders hervorsticht. Eine von diesen, die nun schon weit mehr ist als lediglich eine Idee, ist die erstmals 2017 erwähnte Glasbatterie. Ihr nobelpreisgekrönter Erfinder John Goodenough ist bekannt als einer der Entwickler der weitverbreiteten Lithium-Ionen-Batterie. Nun arbeitet er mit stolzen 97 Jahren zusammen mit seiner Partnerin an seinem neuen Projekt, das die Lithium-Ionen-Akkus schon bald ablösen soll.

Glaselektrolyt statt Flüssigelektrolyt

Schon seit vielen Jahren sind Feststoffakkus ein großes Thema in der Forschung, Produktion und Entwicklung. Von der groben Funktionsweise her sollen Feststoffakkus, insbesondere Glasbatterien sich nicht wesentlich von den heute größtenteils genutzten Li-Ionen-Batterien unterscheiden. Es gibt zwei Elektroden, eine negative und eine positive. Bei der Stromerzeugung werden Elektronen in Bewegung gesetzt und bewegen sich durch den Elektrolyten zwischen negativer Katode und positiver Anode hin und her. Dieser Elektrolyt ist bei heutzutage massenproduzierten Batterien zumeist flüssig und besteht zu großen Teilen aus organischen Lösungsmitteln.

Im Gegensatz dazu besteht der Elektrolyt in Feststoffakkus aus einem festen Material. Das bedeutet, dass die Elektronen sich nicht frei bewegen, wie im flüssigen Elektrolyten, sondern dass der Transfer durch sogenannte Festkörperdiffusion vonstatten geht. Im Falle der Glasbatterie handelt es sich bei dem festen Elektrolytkern um mit Alkalimetallen (Lithium oder Natrium) angereichertes Glas.

Die Vorteile von Glasbatterien auf Zell-Ebene

Aufgrund des durch Festkörperdiffusion stattfindenden Energietransfers weisen Feststoffbatterien, und somit auch Glasbatterien, eine hohe Temperaturstabilität auf. Darüber hinaus besteht eine direkte Korrelation zwischen der Temperatur und der Geschwindigkeit des Transfers. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass mit steigender Temperatur auch die Leistungsfähigkeit der Batterie steigt. Somit haben Glasbatterien das Potential, durch äußere Hitzezuführung sehr viel schneller geladen und entladen zu werden als Lithium-Ionen-Batterien. Eine Glasbatterie soll innerhalb von einer Minute vollständig geladen werden können.

Allerdings zeichnen sich Glasbatterien nicht nur durch ihre Hitzebeständigkeit aus, sondern auch durch ihre Funktionstüchtigkeit bei sehr kalten Temperaturen. Nach Angaben der University of Texas soll die Batterie auch noch bei -60°C in der Lage sein zu operieren.

Weiterhin sollen Glasbatterien eine höhere Energiedichte erreichen können als Li-Ionen-Batterien. Genauer gesagt soll die Energiedichte einer Glasbatterie die einer Li-Ionen-Batterie mehr als dreifach übersteigen. Grund dafür ist, dass bei Feststoffbatterien die Möglichkeit besteht, die regulär genutzten Elektroden aus Graphit durch Natriumelektroden zu ersetzen. Natrium ist wesentlich leichter als Graphit und nimmt auch weniger Platz ein. Damit können Gewicht und Volumen der Batterien drastisch verringert werden. Resultierend folgt, dass pro Kilogramm mehr Energie und Kapazität zur Verfügung stehen.

Auf technischem Level ist der Nutzen von Glasbatterien enorm

Ein besonderer Vorteil in der direkten technischen Anwendung liegt in der simplen Stapelbarkeit der Zellen, welche durch den fehlenden Flüssigelektrolyt ermöglicht wird. Nicht nur wird auf diese Weise viel Platz gespart, sondern auch Gewicht, denn es besteht keine Notwendigkeit die Batterien einzeln zu verpacken.

Ein großes Problem in der Lithium-Ionen-Technologie bestand schon immer in der aufwändigen Kühlung. Ohne diese können die Energiequellen schnell überhitzen, was schon zu so einigen Schlagzeilen über explodierende Geräte geführt hat. Diese Kühlung nutzt dabei oft die Energie der Batterien selbst, somit wird die eigentlich nutzbare Energie verringert.

Bei Glasbatterien wird ein solch komplexes Kühlsystem nicht benötigt. Der Elektrolyt ist nicht kurzschlussgefährdet oder entflammbar. Dadurch kann mehr Energie tatsächlich genutzt werden, die Effizienz wird also erhöht. Auch wäre das Betreiben eines Gerätes mit Glasbatterie aus diesem Grund wesentlich sicherer.

Zusätzlich soll es möglich sein, die Glasbatterie öfter zu laden, ohne dass diese an Leistung einbüßt. Tausende Male soll eine Glasbatterie geladen werden können und trotzdem noch so leistungsfähig sein wie am Anfang.

Für Wirtschaft und Umwelt lohnt sich die Glasbatterie

Da die für die Herstellung von Li-Ionen-Batterien benötigten Materialien und Chemikalien bereits einen relativ hohen Preis haben, lassen sich die Herstellungskosten dieser Akkus nur beschränkt reduzieren. Dagegen sind die Herstellungskosten für Glasbatterien relativ gering, da die Glaselektrolyte ermöglichen, Lithium durch das viel günstigere Natrium zu ersetzen. Auch ist die Herstellung der aus Alkalimetallen bestehenden Anoden weniger aufwändig und somit für die Massenproduktion gut geeignet. Allgemein lassen sich die Kosten für die Produzenten von Glasbatterien also relativ geringhalten.

Die Überlegenheit der Glasbatterie äußert sich allerdings nicht nur in ihrer Wirtschaftlichkeit, auch aus Sicht der Umwelt gibt es einige erwähnenswerte Aspekte. Glasbatterien basieren nicht auf teurem und seltenem Lithium, sondern auf Natrium. Dieses Material hat ein nahezu unerschöpfliches Vorkommen in der Natur, somit werden beim Abbau keine Ressourcen ausgebeutet. Selbst aus Meerwasser lässt sich Natrium gewinnen.

Die Anwendungsbereiche der Glasbatterie sind divers

Die Limitierungen der uns bisher zur Verfügung stehenden Technik werden uns immer wieder klar aufgezeigt: So ist das Aufladen von Smartphones notwendigerweise immer noch ein tägliches Ritual und die Verbreitung von Elektroautos geht nur langsam von statten, was immer wieder auf die Kosten für den Akku und die Ladedauer zurückgeführt wird. Mit der Technologie der Glasbatterie könnte sich das schon in näherer Zukunft ändern.

Die von John Goodenough und Maria Helena Braga entwickelte Batterie könnte in verschiedensten Bereichen Anwendung finden. Besonders im Bereich der Elektromobilität verspricht der Einsatz von Glasbatterien erstaunliche Resultate. So wurde veröffentlicht, dass ein Elektroauto mit eingebauter Glasbatterie mit nur einer Ladung bis zu 1.000 Kilometer weit fahren könnte. Die bisher von E-Autos erreichte Reichweite liegt etwa bei der Hälfte dieses Wertes.

Zusätzlich bietet sich die Glasbatterie auch für Smartphones an, insbesondere wegen der kurzen Ladedauer und der hohen Energiedichte. Aber auch in Fahrrädern, Werkzeugen und Drohnen oder ähnlichen lassen sich Glasbatterien gut verbauen.

Glasbatterien sind noch nicht marktreif

Um eine neue Technologie vermarkten zu können, müssen eine Reihe von Kriterien erfüllt werden. Diese Kriterien umfassen vor allem die Energiedichte, die Sicherheit und die Lebensdauer der Batterie. Obwohl die Glasbatterie in der Theorie all diese Kriterien überzeugend erfüllt, gibt es noch Zweifel an der finalen Ausführung der Batterie. Diese betreffen unter anderem die Wahl des Materials für die Kathode und die generellen Produktionskosten. Bis die Forschung an den Prototypen der Glasbatterie beendet ist, kann an die kommerzielle Verbreitung noch nicht wirklich gedacht werden.

Zwar wurde das Patent für die Glasbatterie in Kooperation mit der Universität Texas schon vor mehreren Jahren eingereicht, doch ist aus der Vergangenheit bekannt, dass von der Idee bis zur Vermarktung und Massenproduktion durchaus einige Jahrzehnte vergehen können. Jedoch ist Goodenough davon überzeugt, dass die Glasbatterie noch zu seinen Lebzeiten den Batteriemarkt revolutionieren kann.

Hydro-Québec sichert sich die Lizenzen an der Glasbatterie

Erst Anfang 2020 wurden dem kanadischen Stromversorger Hydro- Québec die Glasbatteriepatente übertragen. Bei dem Unternehmen handelt es sich um einen der Vorreiter der Batterietechnologien. Schon in den 1990er Jahren hat Hydro-Québec die ersten Feststoffbatterien entwickelt, die in Form von Energiespeichern und in Elektrobussen Verwendung finden. Durch intensive Forschung wollen sie die Glasbatterie-Technik nun bereits 2022 auf den Markt bringen. Die Batterien sollen dann von Industriepartnern des Unternehmens produziert werden.

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