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Forschungszentrum Jülich - Jahresbericht 2012

18 Forschungszentrum Jülich | Jahresbericht 2012 N eue Batterietypen, die leis- tungsfähiger sind als die heu- tigen, sind der Schlüssel für unsere künftige Energiever- sorgung. Denn Windkraft- und Solaran- lagen erzeugen Strom nach Wetterlage und nicht nach Bedarf, so dass der Aus- bau der erneuerbaren Energien darauf angewiesen ist, große Energiemengen zu speichern und schnell wieder bereit- zustellen. Die Lithium-Luft-Batterie ist ein Kandidat für einen solchen Energie- speicher, denn sie kann theoretisch die 50-fache Energiedichte heutiger Lithi- um-Ionen-Akkus erreichen. „Doch die Verwendung von Lithium bereitet einige Schwierigkeiten: Es re- agiert heftig mit Luftfeuchtigkeit oder Wasser. Außerdem ist das Metall ein knapper Rohstoff, der sich bei stark steigender Nachfrage rasch verteuern wird“, sagt der Jülicher Wissenschaftler Prof. Rüdiger Eichel. Hier sieht er we- sentliche Vorteile für eine Alternative: die Silizium-Luft-Batterie. Silizium wird aus Sand gewonnen und ist praktisch unbegrenzt verfügbar. Die Silizium-Luft- Batterie besteht aus ungiftigen und um- weltverträglichen Komponenten: Der ei- ne Pol, die Anode, ist aus Silizium. Am anderen Pol, der Kathode, wird moleku- larer Sauerstoff zu Sauerstoff-Ionen „reduziert“, wie es in der Fachsprache heißt (siehe Grafik). Der Sauerstoff muss nicht in der Batterie mitgeführt werden, sondern wird beim Entladevor- gang aus der umgebenden Luft aufge- nommen. Daher ist eine solche Batterie kleiner und leichter als eine konventio- nelle Batterie und kann viel Energie auf geringem Raum speichern. Um das Potenzial dieses neuen Bat- terietyps voll auszuschöpfen, müssen die Wissenschaftler noch einige Hürden meistern. Eichel und sein Team vom Be- reich „Grundlagen der Elektrochemie“ des Instituts für Energie- und Klimafor- schung arbeiten eng mit den Erfindern der Silizium-Luft-Batterie vom Israeli- schen Institut für Technologie – Techni- on – zusammen. Die Jülicher Wissen- schaftler erkunden vor allem die Reaktionen im Inneren der Batterie, die dazu führen, dass diese bei der Entla- dung noch nicht so viel Energie liefert, wie theoretisch zu erwarten wäre. Dabei fanden sie heraus: Mangandioxid, das bislang als Katalysator an der Kathode eingesetzt wird, reagiert mit dem flüssi- gen Elektrolyten der Batterie. Mit zwei unerwünschten Folgen: Erstens verlie- ren die Katalysator-Teilchen an Aktivität. Zweitens vergrößern sie sich und ver- stopfen dadurch wahrscheinlich die Po- ren der Elektrode, so dass weniger Sau- erstoff hindurchgelangen kann. Inzwischen haben die Wissenschaftler in Tricobalttetroxid (Co3O4) einen leis- tungsfähigeren Katalysator gefunden. Noch eine weitere – sehr überra- schende – Erkenntnis haben die Forscher aus Jülich und Haifa gewonnen. „Bislang galt es als sicher, dass es vor allem an der Kathode liegt, wenn Metall-Luft-Bat- terien nicht wie gewünscht funktionie- ren“, sagt Eichel. Doch die Wissenschaft- ler fanden heraus, dass es bei der Silizium-Luft-Batterie vor allem Vorgänge Batterien der nächsten Generation Lithium-Ionen-Akkus sind gegenwärtig noch das Maß aller Dinge, wenn es darum geht, möglichst viel Energie in möglichst wenig Material zu speichern. Jülicher issenschaftler entwickeln umweltfreundliche und robuste Batterien, die noch höhere Energiedichten haben – und ohne knappe Rohstoffe auskommen. Das Silizium im Sand und der Sauerstoff im Luftballon: Prof. Rüdiger Eichel zeigt symbolisch, wie allgegenwärtig die Rohstoffe für die Silizium-Luft- Batterie sind.

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