Ein Akku aus Katzengold

Es gibt noch andere Alternativen zur Lithium-Ionen-Batterie. Eine davon nutzt ein Mineral, das ähnlich häufig vorkommt wie Kochsalz: Katzengold. Die goldähnlich schimmernden Pyritkristalle sind chemisch gesehen ein Eisensulfid und kommen in großen Mengen in Gesteinsformationen an Land, aber auch am Meeresgrund vor. Kombiniert man es mit Magnesium und Natrium, lässt es sich als Akku nutzen.

Eisensulfid, Magnesium und Natrium statt Lithium

Um aus Katzengold einen Akku zu bauen, haben Maksym Kovalenko von der Empa und sein Team Nanokristalle das Eisensulfid-Mineral als Kathode verwendet. Als Gegenpart dient eine Magnesium-Anode kombiniert mit einem Elektrolyten aus Magnesium- und Natriumionen. Zusammen ergibt das Ganze eine Natrium-Magnesium-Hybrid-Batterie. Beim Entladen wandern die Natrium-Ionen aus dem Elektrolyten in die Pyrit-Kathode. Beim Wiederaufladen gibt der Pyrit die Ionen wieder frei.

Die Vorteile dieses Katzengold-Akkus liegen auf der Hand: Seine Rohstoffe Eisen, Magnesium, Natrium und Schwefel sind die häufigsten chemischen Elemente in der Erdkruste und damit reichlich verfügbar. Ein Kilogramm Magnesium ist beispielsweise 15 Mal billiger als Lithium. Gleichzeitig ist das Magnesium der Anode weit sicherer als das leicht brennbare Lithium.

Günstige Alternative für große Netzstrom-Speicher

Noch allerdings ist die Lebensdauer dieser Akkus begrenzt: In Labortests schafften sie nur gut 40 Ladezyklen ohne Leistungsverlust. „Noch ist das volle Potential der Batterie nicht ausgeschöpft“, räumt Kovalenko ein. „Mit Hilfe weiterentwickelter Elektrolyten lässt sich die elektrische Spannung und die Lebensdauer der Natrium-Magnesium Hybrid-Zelle mit Sicherheit noch erhöhen.“

Anwendungen für den Pyrit-Akkus sehen die Forscher vor allem in großen, stationären Speicherakkus – beispielsweise um überschüssigen Strom aus Sonne und Wind zwischenzuspeichern. Denn für Elektroautos und andere stromintensive Nutzungen ist die Energiedichte des Katzengold-Batterie zu gering. Dort aber, wo es auf Kosten, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit ankommt, sei die Technik im Vorteil.

Das Problem ist der erste Ladezyklus

Hilfe zur Optimierung des Pyrit-Akkus könnte von Forschern des Brookhaven National Laboratory in den USA kommen. Denn sie haben mithilfe eines Transmissions-Röntgen-Mikroskops erstmals näher untersucht, warum Natrium-Eisensulfid-Akkus ihre Kapazität verlieren. „Wir haben entdeckt, dass dies an der Bewegung der Natriumionen schon beim ersten Lade-Entlade-Zyklus liegt“, berichtet Studienleiter Jun Wang.

Bei diesem Prozess kommt es einerseits zu winzigen Rissen und Brüchen im Eisensulfid, wenn sich dieses durch die eindringenden Natrium-Ionen ausdehnt. Dabei reagiert das Material mit den Ionen und bildet metallisches Eisen. Während des anschließenden Ladens schrumpft das Material wieder und die meisten dieser Partikel werden wieder zu Eisensulfid. Doch es gibt einige Bereiche im Kern der Partikel, in denen die Ionen quasi gefangen bleiben, wie die Forscher beobachteten. „Wenn das Volumen beim Laden abnimmt, ist ihnen der Weg nach außen versperrt“, erklärt Wang.

Das Interessante jedoch: Die Bruchbildung und der Ionen-Fang führen nur beim ersten Ladezyklus zu irreversiblen Veränderungen. Bei allen folgenden Zyklen pendelt sich ein Gleichgewicht ein und alle Wechsel sind reversibel. Das verrät, wo die Forscher bei der Optimierung der Eisensulfid-Batterien ansetzen sollten: an Wegen, um den ersten Ladezyklus zu optimieren.