Alternative Keramikbatterie
Entwicklung vom Fraunhofer IKTS zum Stromspeichern
Früher oder später müssen für die herkömmlichen Lithiumbatterien Alternativen gefunden werden. Denn deren Grundrohstoffe Lithium und Cobalt sind rar und werden oft unter umweltschädigenden oder sogar menschenunwürdigen Bedingungen gewonnen. An vielen Fronten wird deshalb nach neuen Speichermöglichkeiten für Strom gesucht. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS hat nun eine preiswerte und umweltfreundliche Keramikbatterie entwickelt. Ihr Vorteil: Die für die Herstellung benötigten Rohstoffe Natrium, Nickel und Chlor sind günstig, unkritisch und kommen heimisch vor. Für die Entwicklung dieser Batterien erhielten die Wissenschaftler bereits den Thüringer Forschungspreis.
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Herzstück der keramischen Batterie ist ein einseitig verschlossenes Rohr aus natriumionenleitfähiger Keramik.
Bild: Fraunhofer IKTS, Dresden u.a.
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Dem Forscherteam ist es gelungen, die Speicherkapazität der auf Keramikelektrolyte basierenden Batterie auf das fast Dreifache gegenüber bisher marktüblichen Stromspeichern zu steigern. Gleichzeitig sollen die Kosten bei nur noch hundert Euro pro kWh liegen. Zum Vergleich: Ein ähnlich leistungsstarker Haushaltsspeicher auf Lithium-Ionen-Basis kann das Zehnfache davon kosten. Auch in Hinblick auf die Lebensdauer ist die Keramikbatterie interessant: Bei bisherigen Tests erreichte sie eine Lebensdauer von zehn Jahren und 4.500 Ladezyklen. Ihr Wirkungsgrad liegt bei neunzig Prozent. Sie ist außerdem nicht brennbar und kann nach der Nutzung schließlich komplett rezykliert werden.
Funktionsweise
Im Gegensatz zur Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigem Kern ist das Herzstück der keramischen Batterie ein einseitig verschlossenes Rohr aus natriumionenleitfähiger Keramik – ein Festkörperelektrolyt, für deren Herstellung die Forscher am Fraunhofer IKTS geeignete Pulver und eine Formgebungstechnologie entwickelt sowie den Brennprozess angepasst haben. Um den Elektrolyt in eine Zelle zu integrieren, realisierten die Forscher außerdem eine komplexe, keramische Dichtung, die korrosionsstabil bei bis zu 350 °C ist und eine dauerhafte Verbindung zwischen metallischer Zellwand und dem Keramikkern ermöglicht. Beim letzten Entwicklungsschritt zur Batterie, dem Modulaufbau, gelang es schließlich, mehrere Zellen verlustarm untereinander zu kontaktieren und in ein isolierendes Gehäuse mit thermischer und elektrischer Steuerung zu integrieren.
Etablierte Technologie neu aufgelegt
Schon in den 1980er-Jahren hatte sich die damals „ZEBRA – Zero Emission Battery Research Activities“ genannten Batterie, die bei ca. 300 °C betrieben wird und im Wesentlichen auf den Materialien Kochsalz (NaCl2) und Nickel (Ni) basiert, auf dem Vormarsch befunden. Als sich die Forschungsarbeiten in den 1990er-Jahren jedoch der aufkommenden Lithium-Ionen-Batterien zuwandten, erfuhr dieser einen jähen Abbruch. Dennoch verschwand die Keramikbatterie nie ganz aus der Produktion und ist heute dank der aktuellen Forschung des Fraunhofer IKTS wieder zu einer vielversprechenden, preiswerten und umweltfreundlichen Option geworden. Der oberfränkische Hightech-Konzern Alumina Systems hat die Technologie bereits gekauft und wird eine keramische Batterie unter dem Namen Cerenergy anbieten.
