Stapel blaue Batterien mit einer grünen

Auf dem Weg zur Bio-Batterie

Eine kompostierbare Batterie, kostengünstig hergestellt und gleich leistungsfähig wie gängige Lithium-Ionen-Akkus: Was nach der eierlegenden Wollmilchsau klingt, könnte in einigen Jahren Wirklichkeit sein. Der physikalische Chemiker Engelbert Portenkirchner arbeitet daran, eine Batterie zu entwickeln, die auf organischen Materialien und Natrium-Ionen basiert.

Es ist das leichteste Metall auf der Erde, wird hauptsächlich aus Salzlaken und Salzseen gewonnen und jeder von uns hält es täglich mehrmals in Händen: Lithium. Verbaut in Lithium-Ionen-Akkus ist  das Leichtmetall in Mobiltelefonen, Laptops und Elektroautos zu finden. Aber Lithium ist nur begrenzt verfügbar: „Wenn man alle Autos weltweit mit Lithium-Ionen-Akkus ausstatten wollen würde, wäre dafür nicht ausreichend Lithium vorhanden“, erklärt Engelbert Portenkirchner, Wissenschaftler am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck. „Natürlich kann es in einem Recyclingprozess aus alten Akkumulatoren wieder gewonnen werden, dieser Prozess ist jedoch auch immer mit einem Materialverlust verbunden.“ Im Rahmen seines vom österreichischen Wissenschaftsfond FWF geförderten Projekts setzt der Chemiker deshalb auf Alternativen zu Lithium: Er möchte eine vollorganische Batterie entwickeln, die auf Natrium-Ionen basiert. Das natürliche Vorkommen von Natrium, das immer in Verbindungen – den sogenannten Natrium-Salzen –  auftritt und in jedem Haushalt in Form von Speisesalz vorhanden ist, ist viel höher als das von Lithium: Allein ein Liter Meerwasser enthält durchschnittlich 11 Gramm Natrium-Ionen. „Grundsätzlich eignen sich zahlreiche Elemente zur Herstellung einer Batterie. In der Zeit, als Lithium-Ionen-Akkumulatoren entwickelt wurden, liefen deshalb auch erste Versuche mit Natrium-Ionen. Diese sind dann aber aufgrund des schnellen Erfolges der Lithium-Ionen-Akkus schnell in den Hintergrund geraten“, erklärt Portenkirchner.

Größe als Nachteil

Um zu funktionieren, braucht eine Batterie zwei Elektroden: eine positiv geladene – die Kathode – und eine negativ geladene – die Anode. Die Ionen bewegen sich beim Laden und Entladen der Batterie zwischen diesen beiden Elektroden hin und her und sorgen so durch ihre Reaktion mit dem Elektrodenmaterial dafür, dass elektrische Ladung aufgenommen und wieder abgegeben werden kann. Grundsätzlich haben Natrium- und Lithium-Ionen sehr ähnliche chemische Eigenschaften – sie sind beide sehr reaktiv, was für den Bau einer Batterie vorteilhaft ist. Natrium-Ionen sind allerdings um einiges größer als Lithium-Ionen, weshalb das derzeit verwendete Elektrodenmaterial nicht mit Natrium-Ionen funktioniert. „Vereinfacht gesagt, können die kleinen Lithium-Ionen in das derzeitige Elektrodenmaterial – beim Lithium-Ionen-Akku in der Regel Graphit und ein Lithium-Metalloxid – hineinwandern. Die Natrium-Ionen können dies aufgrund ihres Ionenradius – also ihrer Größe – nicht“, erklärt Portenkirchner.

Kompostierbare Batterie

Mittlerweile hat die Forschung auch im Bereich des Elektrodenmaterials große Fortschritte gemacht, auch in Bezug auf organische Halbleitermaterialien. „Heute ist es bereits möglich, eine funktionierende Batteriezelle aus Bananenschalen zu bauen“, erklärt der Chemiker. Im Rahmen seiner Dissertation an der Universität Linz hat Engelbert Portenkirchner auch an organischen Solarzellen gearbeitet und konnte so viele Erfahrungen mit organischem Elektrodenmaterial sammeln.  „Eine Eigenschaft dieser organischen Materialien ist, dass sie sehr porös sind. Deshalb spielt die Größe der Ionen hier kaum eine Rolle. Da Natrium-Ionen ansonsten ähnliche chemische Eigenschaften besitzen wie Lithium-Ionen, in der Erdkruste aber in einer mehr als das tausendfach höheren Konzentration vorkommen, wären sie perfekt für eine vollorganische Batterie geeignet“, so Portenkirchner. Neben der höheren Verfügbarkeit und den damit verbundenen geringeren  Produktionskosten hätte die Natrium-Ionen-Batterie, an der Portenkirchner derzeit forscht, einen weiteren Vorteil: „Lithium ist sowohl in seiner Gewinnung als auch in der Entsorgung nicht besonders umweltverträglich – die vollorganische Natrium-Ionen-Batterie könnte einfach kompostiert und so wieder dem natürlichen Kreislauf zugeführt werden.“

Weiter Weg  

Um diese Vision zu verwirklichen, untersucht Engelbert Portenkirchner die Natrium-Ionen derzeit in sogenannten Halbzellen. „Um das System zu testen, versuchen wir es auf möglichst ideale, einfache Basis herunter zu brechen. Am Anfang steht der Versuch eine Halbzelle zu bauen. Dazu gebe ich unsere Testelektrode in einen Metallzylinder, bringe organische Materialien auf und befülle den Zylinder mit einer Elektrolytlösung.  Als Gegenpol verwende ich reines Natriummetall“, erklärt der Wissenschaftler die Vorgangsweise. Diese Testelektrode wird dann unter inerten Bedingungen darauf getestet, ob und wie viel elektrische Ladung sie erzeugt und optimiert. „Beim Laden und Entladen einer Batterie bewegen sich die Ionen, im diesem Fall die Natrium-Ionen, in die Elektroden hinein oder aus den Elektroden hinaus. Daher muss man genau verstehen, wie sich die Natrium-Ionen in den entsprechenden Materialien bewegen, um eine leistungsfähige Batterie zu entwickeln.“ Liefern die Tests mit der Halbzelle zufriedenstellende Ergebnisse, gehen die Wissenschaftler einen Schritt weiter und bauen eine Vollzelle. „Erst wenn diese gut funktioniert und vergleichbar gute Energiedichten liefert wie ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku, kann das System an einen Industriepartner übergeben werden, der es dann marktfähig macht.“ Was so einfach klingt, ist in Bezug auf die kompostierbare Natrium-Ionen-Batterie aber noch ein weiter Weg. „Die Natrium-Ionen-Batterie funktioniert bereits in der Halb- und auch in der Vollzelle, sie ist aber noch nicht so leistungsfähig wie Lithium-Ionen-Akkus“, so Portenkirchner, der aber davon überzeugt ist, dass das System konkurrenzfähig werden kann und derzeit Grundlagenforschung an diesem System betreibt.

Dieser Artikel ist in der  Dezember-Ausgabe des Magazins „wissenswert“ erschienen. Eine digitale Version ist hier zu finden (PDF).


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