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Speichertechnik. - Unzureichende Energiespeicher sind die Achillesferse der heutigen Elektroautos. Forscher aus den USA haben einen Batterietyp neuentdeckt, den es eigentlich auch schon vor 100 Jahren gab: Die Nickel-Eisen-Batterie, auf die Thomas Alva Edison seinerzeit ein Patent hatte.
"We actually did not start to make the Edison battery. In the beginning. About three years ago we decided to make battery materials using the approach of hybridizing inorganic nano particles with carbon such as graphene."
Wir haben überhaupt nicht an die Edison-Batterie gedacht. Wir wollten nur anorganische Nanoteilchen mit Kohlenstoff wie Graphen verknüpfen. Denn, so Hongjie Dai von der Stanford University in San Francisco, so eine Verbindung kann elektrische Ladung viel schneller aufnehmen und wieder abgeben. Dass dabei eine Variante der Edison-Batterie entstand, sei Zufall gewesen: Die Forscher haben erst einmal eine Elektrode aus Nickelhydroxid-Partikeln auf Graphen entwickelt. Dann brauchten sie aber noch ein gutes Material für die zweite Elektrode.
"Wir haben drei Jahre lang nach einem Stoff gesucht, der zur Nickelelektrode passt. Und erst vor einem Jahr haben herausgefunden: Das ist Eisen."
Erst dann schauten die Forscher in die Bücher...
"und da sahen wir: Edison hatte schon vor über 100 Jahren eine Nickel-Eisen Batterie entwickelt."
Thomas Alva Edison hatte für die damals weit verbreiteten Elektroautos nach einem besseren Stromspeicher als Bleibatterien gesucht und ihn 1901 im Nickel-Eisen Akku gefunden. Der konnte mehr Strom speichern, war aber teurer. Über die Jahre stellte sich zwar heraus, dass Edisons Batterien viel länger lebten als Bleiakkus - einige angeblich fast 100 Jahre - doch da war es zu spät: Elektroautos gab es kaum noch, und in den anderen hatte sich die Bleibatterie durchgesetzt. Hongjie Dai hat für seinen Akku auch Elektroautos im Blick. Seine Neuentwicklung ist allerdings in einem Punkt dem historischen Gegenstück überlegen.
"Wir können die Ladung um ein Vielfaches schneller transportieren. Unsere Batterie könnte in Minuten oder Sekunden geladen oder entladen werden."
Möglich macht das die dritte Komponente im Akku, über die der große Erfinder noch nicht verfügte: Graphen. Ein nur ein Atom dünnes Kohlenstoff-Blatt. Auf dieses Material - mal glatt, mal zu Nano-Kohlenstoffröhren zusammengerollt, ließ Hongjie Dai Nickel- und Eisenpartikel zu Elektroden regelrecht wachsen.
"Man kann sich das so vorstellen: Eigentlich leiten die Partikel kaum Strom. Aber wenn wir sie auf Kohlenstoff wachsen lassen, haben wir eine starke, chemische Bindung. Und die leitet Strom viel besser als ein bloßer physischer Kontakt der Elemente."
Die neue Edison-Batterie kann daher viel schneller Strom aufnehmen. Doch sie verliert einen ihrer Vorzüge: Ihre Dauerhaftigkeit.
"Richtig. Die Batterie ist wegen ihrer Schnellladefähigkeit am Ende etwas weniger stabil."
Was sich aber in den Augen der Forscher in Grenzen hält
"Im Labor hält unsere Zelle genauso lange durch wie Lithium-Ionen-Batterien, also 1000 Ladezyklen, beide sind also vergleichbar."
Das reicht den Forschern um Hongjie Dai jedoch nicht - sie wollen die Lebensdauer der Nickel-Eisen-Kohlenstoff Zelle noch weiter steigern. Die Edison Batterie - next generation hätte dann nur noch einen Nachteil gegenüber Lithium-Ionen-Batterien: Sie wäre schwerer.
"Ich schätze, eine Batterie mit unserer Technik wird ähnlich schwer wie die alte Edison-Batterie - aber eben sehr viel schneller."
Die alte Edison-Batterie wiegt etwa zwei bis fünf mal mehr pro Wattstunde als eine Lithium-Ionen Batterie. Dagegen kann die neue Edison-Batterie mit einigen Vorzügen aufwarten: Sie dürfte billiger sein, denn Eisen und Nickel sind deutlich häufiger zu finden als Lithium, und der Elektrolyt -Kalilauge- ist ebenfalls billig. Sie wird robuster sein als Lithium-Ionen Akkus, denn ihre Bestandteile sind nicht entflammbar. Und sie dürfte leichter zu recyclen sein - Eisen und Nickel sind verhältnismäßig unkomplizierte Metalle. Dai:
"Alte Technik, deutlich verbessert, ist also ein Weg, das Batterieproblem zu lösen - wir werden nicht an der Lithium-Ionen-Batterie hängen bleiben."
Podcast zum Thema: MP3
Quelle: Von Sönke Gäthke: http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/1916620/
siehe auch: Blitzladung von Batterien möglich - Prototypen aus Nanoschaum entwickelt
- Aerographit soll die Akkuherstellung revolutionieren
- http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Edison_Batterie__Renaissance_dank_Nanomaterial1771015588540.html
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Langsam, schwach und längst veraltet – dieses vernichtende Etikett trägt die klassische aufladbare Nickel-Eisen-Batterie, seit sie ab den 1990er Jahren weitgehend vom schnelleren und leistungsstärkeren Lithium-Ionen-Akku ersetzt wurde. „Wir haben die Lade- und Entlade-Rate um fast das Tausendfache erhöht, wir haben sie wirklich schnell gemacht“, sagt Hailiang Wang, Hauptautor der Studie und Chemiker an der Stanford University. Im Team um den Chemie-Professor Hongjie Dai nahm er sich des Nickel-Eisen-Akkumulators an, den der Allround-Tüftler Thomas Edison wie auch der schwedische Erfinder Waldemar Jungner etwa zeitgleich um 1900 entwickelt hatten – als günstigen Ersatz für die korrosionsanfälligen Blei-Säure-Batterien. Bereits Edison sah den Akku auch als robusten Antrieb für Elektrofahrzeuge. Zudem stellte er bis etwa 1970 den langlebigen und verlässlichen Standard der aufladbaren Batterie. Allerdings brauchte er viele Stunden zum Aufladen und gab die gespeicherte Energie nur langsam wieder frei, so dass Lithium-Ionen-Akkus ihn nach und nach verdrängten.
Diesen Nachteil hat das Stanford-Team nun ausgeräumt, indem es die Elektroden der Batterie mit feinsten Strukturen des Kohlenstoffmaterials Graphen und winzigen Kohlenstoffnanoröhrchen versetzten. Statt diese aber wie in herkömmlichen Elektroden einfach beizumischen und so die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, ließen die Forscher darauf winzige Strukturen wachsen. Die ursprüngliche Eisen-Anode besteht nun aus Eisenoxid-Nanokristallen, die auf Graphenschichten gewachsen sind. Die einstige Nickelkathode ist eine Ansammlung von Nickelhydroxid-Nanokristallen, gewachsen auf den Nanoröhrchen. Diese Methode liefert eine starke chemische Bindung zwischen den anorganischen Metallpartikeln und dem Kohlenstoff, was die elektrische Ladung wesentlich schneller zwischen den Elektroden und dem anliegenden Schaltkreis fließen lässt. Als Elektrolyt dient nach wie vor Kalilauge, auch dies ein billiger, ungiftiger und umweltfreundlicher Rohstoff.
Der 1-Volt-Prototyp der Forscher liefert eine Energiedichte von mehr als 120 Wattstunden pro Kilogramm, eine ähnliche Leistung wie bei einfachen Lithium-Ionen-Akkus. Derzeit reicht dies nur, um eine Taschenlampe zu betreiben. Doch größere Versionen seien kein Problem, so das Team.
„Es ist definitiv vergrößerbar“, sagt Wang und betont die niedrigen Kosten der Materialien und ihre Ungefährlichkeit. Der bisher größte Nachteil der neuen alten Energiespeicher: Die Kapazität sinkt nach rund 800 Lade-Entlade-Zyklen auf rund 80 Prozent, ähnlich einem Lithium-Ionen-Akku. Da der ultraschnelle Nickel-Eisen-Akku aber deutlich mehr Ladezyklen absolvieren soll, konzentrieren sich die Forscher auf dem Weg zur Marktreife nun auf das lange Erhalten der vollen Kapazität.
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