Empa- und ETH-Forscher entwickeln preisgünstige Batterien aus Abfall-Graphit

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Batterien (Foto: Didgeman / Pixabay)

Dübendorf, Zürich / Schweiz — Lithium-Ionen-Akkus können sich entzünden, und der Preis für den Rohstoff Lithium steigt. Eine Forschergruppe der Empa und der ETH hat vielversprechende Ansätze zu Alternativen aus Abfall-Graphit und Schrott-Metallen entdeckt, aus denen Batterien hergestellt werden könnten.

Kostiantyn Kravchyk arbeitet in einer Forschungsgruppe, die zugleich an der ETH Zürich und im Empa-Labor für Dünnfilme und Fotovoltaik beheimatet ist. Sein ehrgeiziges Ziel ist es, einen Akku aus den am häufigsten vorkommenden Elementen der Erdkruste zu machen – zum Beispiel Magnesium oder Aluminium. Diese Metalle bieten eine hohe Sicherheit selbst dann, wenn die Anode aus reinem Metall besteht – was bei einer Lithium-Ionen-Batterie viel zu gefährlich wäre. Dadurch lassen sich die Batterien auf eine sehr einfache und preiswerte Art zusammenzubauen und ihre Produktion schnell erweitern.

Mit ‚kühler Schmelze‘

Um eine solche Batterie zu konstruieren, muss die Elektrolytflüssigkeit aus speziellen Ionen bestehen, die bei Raumtemperatur nicht kristallisieren – also eine Art Schmelze bilden. In dieser „kühlen Schmelze“ wandern die Metallionen zwischen Kathode und Anode hin und her, umrahmt von einer dicken Hülle aus Chloridionen. Alternativ dazu könnten grosse Anionen aus organischen Chemikalien benutzt werden, die aber ein Problem mit sich bringen: Wo sollen diese „dicken“ Ionen hin, wenn die Batterie geladen wird? Zum Vergleich: Beim Lithium-Ionen-Akku besteht die Kathode aus einem Metalloxid, das die kleinen Lithium-Ionen während des Ladevorgangs aufnehmen kann. Das funktioniert bei solch grossen Ionen nicht. Ausserdem sind die Ionen, um die es hier geht, negativ geladen, genau anders als die Lithium-Ionen.

Akku-Prinzip auf den Kopf gestellt

Das Team löste das Problem mit einem Trick: Die Forscher stellten das Prinzip des Lithium-Ionen-Akkus auf den Kopf. Während im Lithium-Ionen-Akku die Anode (der Minuspol) aus Graphit besteht, wird bei Kovalenkos Batterie der Gaphit als die Kathode (Pluspol) eingesetzt. In den Zwischenräumen lagern sich die dicken Anionen ein. Die Anode (der Minuspol) ist bei Kovalenkos Batterie dagegen aus Metall.

Eine bemerkenswerte Entdeckung machte der Forscher auf der Suche nach dem „richtigen“ Graphit: Er fand heraus, dass Abfall-Graphit, der bei der Stahlherstellung anfällt, so genannter „Kish-Graphit“, sehr gut als Kathodenmaterial funktioniert. Auch eignet sich natürlicher Graphit, wenn er in groben „Flakes“ geliefert wird und nicht allzu fein vermahlen ist. Der Grund: Die Graphitschichten liegen an den Bruchkanten offen, und die dicken Metall-Chlorid-Ionen können leichter in die Struktur hineinschlüpfen. Dagegen eignet sich der fein vermahlene Graphit, der üblicherweise in Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz kommt, für Kovalenkos Batterie kaum: Durch das Vermahlen der Graphitpartikel werden die Schichten geknickt wie in einer zerknüllten Papierkugel. In diesen geknüllten Graphit können nur kleine Lithium-Ionen eindringen, die dicken Anionen der neuen Batterie dagegen nicht.

Preisgünstig und langlebig

Die Graphit-Kathoden-Batterie, gebaut aus Abfallstoffen der Stahlherstellung oder aus rohen, natürlichen Graphit-Flakes, hat also das Potenzial, wirklich preisgünstig zu sein. Langlebig ist sie auch – darauf weisen jedenfalls erste Experimente hin. Über mehrere Monate überstand ein Laborsystem tausende von Lade- und Entladezyklen. „Die Aluminiumchlorid-Graphit-Batterie könnte bei einem täglichen Einsatz in einem Haus jahrzehntelang halten“, ist Kravchyk überzeugt.

Die Originalveröffentlichung ist als „Kish Graphite Flakes as a Cathode Material for an Aluminum Chloride–Graphite Battery“; S. Wang, K.V. Kravchyk, F. Krumeich, and M.V. Kovalenko; ACS Appl. Mater. Interfaces; 2017 unter pubs.acs.org erhältlich.

Quelle: Empa