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Calcium-Batterien könnten Lithium-Ionen-Akkus ersetzen

Calcium/Calcium oder Calcium/Silber-Technologien verleihen den typischen Blei-Säure-Autobatterien gute Kaltstartwerte und eine lange Lebensdauer, während der sie praktisch nicht gewartet werden müssen. Zudem ist Calcium das fünfthäufigste Element in der Erdkruste. Größere, wiederaufladbare Energiespeicher auf Basis von Calcium versprechen daher eine günstige Herstellung und ein hohe Energiedichte. KIT-Forscher haben die Calcium-Batterie jetzt entscheidend weiterentwickeln können.

Zhirong Zhao-Karger (links) und Zhenyou Li (rechts) aus dem Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence) gelang es, vielversprechende Elektrolyte für Calcium-Batterien herzustellen. (Foto: Markus Breig / KIT)

Zhirong Zhao-Karger (links) und Zhenyou Li (rechts) aus dem Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence) gelang es, vielversprechende Elektrolyte für Calcium-Batterien herzustellen. (Foto: Markus Breig / KIT)

Calcium-Batterien besitzen das Potenzial, als Energiespeicher der Zukunft die Lithium-Ionen-Akku-Technologie abzulösen. Mit den bislang verfügbaren Elektrolyten gelang es aber nicht, Calcium-Batterien bei Zimmertemperatur aufzuladen. Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun eine vielversprechende Elektrolytklasse vorgestellt, die das erstmals möglich macht.

Erst effiziente, große und kostengünstige Energiespeicher eröffnen die Möglichkeit einer flächendeckenden Umstellung auf emissionsfreie Mobilität und Stromversorgung. Doch die heute dominierende Lithium-Ionen-Technologie kann diese Aufgabe in globalem Maßstab nicht erfüllen, sagt Professor Maximilian Fichtner vom KIT, Direktor der Forschungsplattform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe), welche Calcium-Batterien und weitere Speichertechnologien erforscht.

"Lithium-Ionen-Batterien kommen von ihrer Performance und manchen darin verwendeten Rohstoffen mittelfristig an ihre Grenzen und könnten dann nicht überall dort eingesetzt werden, wo in Rahmen der Energiewende Energiespeicher sinnvoll wären. Wir verfügen nur über begrenzte Vorkommen von Rohstoffen wie Kobalt, Nickel und Lithium, die für die Herstellung notwendig sind."

Stattdessen setzen er und sein Team, das am vom KIT in Kooperation mit der Universität Ulm gegründeten Helmholtz-Institut Ulm (HIU) angesiedelt ist, auf alternative Batterietechnologien. Diese basieren auf Rohstoffen, die auf der Erde viel häufiger vorkommen. Das Element Calcium hält er dabei für einen vielversprechenden Kandidaten, da Calcium etwa im Gegensatz zu Lithium zwei Elektronen pro Atom ab- und aufnehmen kann und weil es eine ähnliche Spannung liefert wie Lithium:

"Calcium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste. Es ist gleichmäßig auf der Erde verfügbar und bietet den Vorteil sicher, ungiftig und kostengünstig zu sein."

Doch bei der Entwicklungsarbeit zur Calcium-Batterie gab es bislang eine große Hürde: Im Gegensatz zur etablierten Lithium-Ionen-Technologie oder auch den neueren Natrium-Battarien oder Magnesium-Akkutechnologie existierten bislang keine praktikablen Elektrolyte, um wiederaufladbare Calcium-Batterien herzustellen.

"Erst seit wenigen Jahren existieren überhaupt experimentelle Elektrolyte und damit Prototypen der Calcium-Batterie“, erklären Dr. Zhenyou Li, Erstautor der Studie und Dr. Zhirong Zhao-Karger, Projektleiterin, die beide im Exzellenzcluster POLiS (Post Lithium Storage Cluster of Excellence) am KIT arbeiten, das die Calcium-Batterie im Rahmen von CELEST weiterentwickelt.

"Diese ermöglichen einen Ladevorgang aber erst bei Temperaturen jenseits der 75 Grad Celsius und sind dabei noch anfällig für unerwünschte Nebenreaktionen."

Nun gelang es den Forschern, eine Klasse neuer Elektrolyte auf Basis spezieller, organischer Calciumsalze zu synthetisieren, mit denen Ladevorgänge auch bei Zimmertemperatur möglich sind. Am Beispiel des neuen Elektrolyts Calciumtetrakis[hexafluoroisopropyloxy]borat konnten die Forscher nun nachweisen, dass Calcium-Batterien mit hoher Energiedichte, Speicherkapazität und Schnellladefähigkeit möglich sind. Ihre Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science vorgestellt.

Die neue Elektrolytklasse schafft nun eine wichtige Grundlage, um Calcium-Batterien aus dem Labor in die Anwendung zu führen. In Elektroautos, mobilen Elektronikgeräten und stationären Netzspeichern könnten sie eines Tages die bislang dominierende Lithium-Ionen-Batterie ersetzen. Allerdings könnte das noch eine Weile dauern:

"Die neuen Elektrolyte sind ein erster wichtiger Schritt", betont Fichtner. "Bis zur marktreifen Calcium-Batterie haben wir noch einen weiten Weg vor uns."

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"Calcium-Batterien könnten Lithium-Ionen-Akkus ersetzen" wurde am 10.10.2019 verfasst