Um Batterien zu optimieren, nutzen KIT-Forscher auch die Nanotechnologie. Bislang sind Lithium-Ionen-Akkus am leistungsstärksten. Neue Modelle speichern dreimal so viel Energie pro Gewicht wie die ersten kommerziellen Versionen zu Beginn der 1990er Jahre. Doch auch andere Speichermaterialien werden getestet, unter anderem Calcium und Magnesium.
Keramik als Elektrolyt
Eine enge Vernetzung von Forschungsprojekten, die inhaltlich nahe beieinander liegen, gehört zu den großen Vorteilen der Helmholtz-Zentren. So steht auch am Forschungszentrum Jülich Batterieforschung im Fokus: Dort entwickeln Wissenschaftler keramische Elektrolyte. Ein Elektrolyt übernimmt in Batterien und Akkus den internen Ionen-Transport zwischen der Anode und der Kathode und generiert zum Ladungsausgleich Ionen.
„Gängige Batterien mit flüssigen Elektrolyten können auslaufen, überhitzen, abbrennen und dabei Gift freisetzen. Diese Probleme werden durch einen Feststoff entschärft“, erläutert Olivier Guillon, Direktor des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung. Vor allem aber ermöglicht die Keramik eine hohe Leistungsdichte: Der Akku kann elektrische Energie besonders schnell zur Verfügung stellen, wie es beispielsweise zur Beschleunigung eines Elektroautos erforderlich ist.
Akkus, die atmen
Darüber hinaus arbeiten die Forscher in Jülich an atmenden Batterien. Solche Metall-Luft- Akkus haben einen erheblichen Gewichtsvorteil, weil sie nicht auf Lithium beruhen, das zudem ein knapper Rohstoff ist. „Wir untersuchen Hochtemperatur-Eisen-Luft-Batterien, die mit Festoxidbrennstoffzellen gekoppelt sind. So kann Sauerstoff zu- und abgeführt werden“, sagt Guillon. „Metall-Luft-Akkus versprechen theoretisch eine sehr hohe Energiedichte, aber man muss das ganze System betrachten.“
Bislang befindet sich das Projekt, in dem verschiedene Bereiche des Forschungszentrums zusammenarbeiten, noch in der Grundlagenforschung. In der Praxis sind bei Batterien mehrere tausend Zyklen ohne Leistungsverlust gefordert. Das funktioniert noch nicht.
Bioabfall als Batteriefutter
Eine Neuentwicklung, die auf die beiden Ulmer Forscher Stefano Passerini und Daniel Buchholz zurückgeht, hat dagegen schon tausend Ladezyklen absolviert. Das Projekt ihrer Forschungsgruppe zur Elektrochemie der Batterien am Helmholtz-Institut Ulm nahm während eines Spaziergangs seinen Anfang. „Wir sahen verrottende Äpfel auf einer Wiese und kamen auf die Idee, dass deren hoher Zuckeranteil Biomüll für den Einsatz in einer Batterie prädestiniert“, erinnert sich Buchholz.
Mit seinen Kollegen entwickelte er im Labor aus dem alten Obst ein kohlenstoffbasiertes Material für die negative Elektrode einer Batterie. „Diese Entdeckung ist ein wichtiger Schritt, um beispielsweise biologische Abfälle nachhaltig zu nutzen“, betont der Wissenschaftler. Einer aktuellen Studie der Umweltstiftung WWF zufolge landen in Deutschland jedes Jahr rund 18,4 Millionen Tonnen Nahrung im Müll. Ein beträchtlicher Teil davon könnte künftig eine neue Form von Energie spenden.
Lars Klaaßen / Helmholtz Perspektiven)
Stand: 27.05.2016
