Forscher schaffen es, Silizium-Luft-Batterien am Laufen zu halten

21. Juli 2016, 13:22
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Experimentelle Akkus hatten bisher ein Problem: Sie liefern nach kurzer Zeit keinen Strom mehr

Jülich – Dem zunehmenden Stromhunger von Mobiltelefonen, Tablets und Notebooks ist es zu verdanken, dass Wissenschafter an mehreren Fronten nach leistungsfähigeren Alternativen zu den aktuell am meisten verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus forschen. Eine mögliche Lösung könnten Silizium-Luft-Batterien bieten. Ihre zahlreichen Vorteile werden allerdings von einem gewichtigen Handicap zunichte gemacht: Aus bisher im Detail noch unverstandenen Gründen liefern sie nach kurzer Zeit keinen Strom mehr. Nun aber haben deutsche Forscher es geschafft, Silizium-Luft-Batterien am Laufen zu halten.

Silizium-Luft-Batterien vereinen zahlreiche Vorteile: Sie haben theoretisch eine weitaus höhere Energiedichte und sind kleiner und leichter als heutige Lithium-Ionen-Akkus. Außerdem sind sie umweltfreundlich und unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Ihr wichtigster Pluspunkt jedoch ist das Material. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erde: Es ist billig und nahezu unbegrenzt verfügbar.

Batterie-Konzept mit Schönheitsfehler

Doch vorläufig hat die Silizium-Luft-Batterie noch einen entscheidenden Schönheitsfehler: Nach relativ kurzer Zeit stoppt der Stromfluss. Über die Gründe dafür gab es bis jetzt nur Vermutungen. Spontan auftretende Schutzschichten auf der Siliziumanode werden als Ursache ebenso in Betracht gezogen, wie unpassende Elektrolyte oder Schwierigkeiten mit der Luft-Elektrode.

Versuche, das Problem durch Verbesserungen dieser Komponenten zu beheben, erwiesen sich bisher als wenig erfolgreich. Das beste Ergebnis ergab der Einsatz eines speziellen, hochwertigen Elektrolyten auf Basis einer ionischen Flüssigkeit. Der steigerte die Lebensdauer der Batterie auf mehrere hundert Stunden – widersprach allerdings der Grundidee, nämlich einer preiswerten Alternative zu den Lithium-Ionen-Batterien.

46 Tage am Stück

Wissenschafter des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung vermuteten eine andere Ursache für die kurze Laufzeit: den Verbrauch des Elektrolyten. Sie entwickelten nun ein Pumpensystem, mit dem die Elektrolytflüssigkeit – in Wasser gelöstes Kaliumhydroxid – von Zeit zu Zeit nachgefüllt wurde. "Bleibt die Siliziumanode in Kontakt mit dem Elektrolyten, läuft die Batterie", erklärt Hermann Tempel vom Bereich Grundlagen der Elektrochemie. Damit erreichten die Forscher eine Laufzeit von über 1.100 Stunden, also knapp 46 Tage. "Bis das Silizium komplett aufgebraucht ist. Danach kann die Batterie durch das Auswechseln der Anode – sozusagen mechanisch – wieder aufgeladen werden."

Nun suchen die Wissenschafter nach einem Weg, die Batterie am Laufen zu halten, ohne den Elektrolyt nachfüllen zu müssen. "Wir müssen die Selbstentladung der Batterie unterdrücken", erklärt Tempel. Denn die führt dazu, dass die Elektrolytflüssigkeit verbraucht wird. Additive im Elektrolyt könnten hier helfen. "Die Batterie ist immer noch nicht perfekt, aber jetzt wissen wir, woran wir arbeiten müssen." (red, 21.7.2016)

  • Testaufbau für die Silizium-Luft-Batterie: Die Batterie selbst hat nur die Größe einer Knopfzelle und befindet sich im Hohlzylinder in der Mitte des Plexiglasgehäuses.
    foto: forschungszentrum jülich

    Testaufbau für die Silizium-Luft-Batterie: Die Batterie selbst hat nur die Größe einer Knopfzelle und befindet sich im Hohlzylinder in der Mitte des Plexiglasgehäuses.

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