Alternative zu Lithium Forscher arbeiten an Billig-Akkus

Hersteller setzen bei aufladbaren Batterien oft auf Lithium - doch das Mineral ist selten und lässt sich nur schwer abbauen. Nun haben Forscher mögliche Alternativen untersucht, die viel billiger wären.

Lithium-Akkus
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Lithium-Akkus


Kaum ein Element eignet sich so gut zur Herstellung von Batterien wie Lithium. Akkus, die Lithium-Ionen enthalten, laden nicht nur schneller, sie halten auch länger, haben mehr Leistung und wiegen weniger als andere Batterien.

Deshalb tüfteln Hersteller von Elektrofahrzeugen daran, wo und wie sich das Alkalimetall am besten im großen Stil abbauen lässt. Investoren suchen auch im Untergrund von Sachsen nach dem Rohstoff. Es gibt allerdings ein Problem: Lithium ist selten.

Deshalb suchen Forscher seit Längerem nach Alternativen. Derzeit sind zwei besonders erfolgsversprechende Materialien im Gespräch. Statt Lithium könnten in wiederaufladbaren Batterien künftig Natrium und Kalium zum Einsatz kommen, berichten US-Forscher um Matthew McDowell vom Georgia Institute of Technology in Atlanta in der Fachzeitschrift "Joule".

Risse im Katzengold

Natrium und Kalium gehören wie Lithium zu den Alkalimetallen, kommen in der Erdkruste aber wesentlich häufiger vor und sind deshalb viel billiger. "Eines der größten Hindernisse für Natrium- und Kaliumionen-Batterien ist, dass sie schneller zerfallen und weniger Energie speichern als die Alternativen", sagt McDowell. Zudem sind Ionen von Natrium und Kalium deutlich größer als die von Lithium. Wegen dieser Eigenschaft drohen häufiger Risse.

In ihrer Studie fanden die Forscher jedoch heraus, dass Batterien aus Natrium und Kalium sogar länger halten könnten als die aus Lithium. Als Elektrodenmaterial nutzten sie das Mineral Pyrit, das aus Eisen und Schwefel besteht und das auch als Katzengold bekannt ist. Dieses Mineral testeten sie im Zusammenspiel mit Lithium-, Natrium- und Kaliumionen.

Dabei schufen die Forscher zunächst winzige würfelförmige Pyritkristalle mit einer Kantenlänge von 20 bis 120 Millionstel Millimeter. Mit einem speziellen Mikroskop beobachteten sie dann, wie die Ionen der drei Alkalimetalle mit den Kristallwürfeln reagierten.

Bei Lithiumionen blieben die Kristalle weitgehend würfelförmig, entwickelten aber bald Risse. Solche Risse würden in einer Batterie schnell zum Abbau des Elektrodenmaterials führen und die Kapazität und Lebensdauer deutlich verringert.

Hohe Lebensdauer aber wenig Energiedichte

Bei Natrium- und Kaliumionen hingegen bildeten sich keine Risse in den Pyritwürfeln, stattdessen rundeten sich nur deren Ecken ab. "Das deutet darauf hin, dass eine solche Batterie eine hohe Lebensdauer hätte", sagen die Forscher.

Allerdings haben Natrium- und Kaliumbatterien eine niedrigere Energiedichte als solche aus Lithium. "Lithiumbatterien sind deshalb jetzt noch am attraktivsten", sagt McDowell. Die Wissenschaftler suchen nun nach Wegen, die Energiedichte zu erhöhen.

"In Zukunft viel billiger"

"Natrium- und Kaliumbatterien basieren auf Elementen, die in der Erdkruste tausendmal häufiger vorkommen als Lithium. Daher könnten sie in Zukunft viel billiger sein, was für die Energiespeicherung im großen Maßstab wichtig ist", sagen die Forscher.

Außerdem könnte ein anderes wichtiges Metall eingespart werden: Kupfer. Zumindest bei Batterien, die auf Natrium basieren, wäre Kupfer als Stromabnehmer überflüssig, weil es mit Natrium keine Legierung bildet. Stattdessen könnte wesentlich günstigeres Aluminium zum Einsatz kommen.

Von Stefan Parsch/dpa/koe



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