Batterien: Alternativen zu Lithium

Lithium-Ionen-Batterien sind gegenwärtig der Standard. Wissenschaftler suchen aber nach Alternativen, die u. a. sicherer und preiswerter sind. Eine davon basiert auf Aluminium und Magnesium.

Lithium-Ionen-Batterien sind in der Technik allgegenwärtig. Lithium hat den Vorteil, dass es sehr reaktiv ist und damit gut geeignet, hohe Spannung zu erzeugen. Diese Eigenschaft birgt aber auch eine Gefahr: Die Batterien müssen vollkommen luftdicht abgedichtet sein, damit es nicht zu explosiven Zwischenfällen kommt.

„Für kleine portable Anwendungen sind Lithium-Ionen-Batterien heute noch erste Wahl“, sagt Prof. Dr. Peter Strasser von der TU Berlin. „Aber die Sicherheitsrisiken von Lithium-Ionen-Batterien bei großen Batteriespeichern, wie wir sie für eine Energiewende hin zu regenerativen Energien benötigen, machen ihre langfristige Verwendung zu einer enormen Herausforderung.“

Preiswerter und sicherer

Deswegen suchen die Berliner Wissenschaftler nach Alternativen, die auf den Metallen Magnesium oder Aluminium beruhen. Deren Vorteile: Sie sind preiswerter und können sicherer an der Luft gelagert werden. Das Problem: Die größere Sicherheit wird mit einer geringeren Spannung bezahlt. „Dafür stellen diese Ionen nicht wie Lithium nur eine, sondern zwei beziehungsweise drei positive Ladungen zur Verfügung und erlauben daher eine viel dichtere Speicherung von elektrischer Ladung – was gerade für große kompakte Batteriespeicher sehr wichtig ist“, so Peter Strasser.

Allerdings ließen sich bisher die zwei- und dreiwertig geladenen Ionen sehr viel schlechter so in ein Elektrodenmaterial einlagern, dass sie anschließend reversibel zwischen den Elektroden ausgetauscht werden können. Einem Team der TU Berlin ist es jetzt gelungen, diese Ionen reversibel in eine chemisch modifizierte Form des weißen Farbpigments Titanoxid einzulagern. Das Titanoxid wurde dabei zunächst mit Fluorid-Ionen dotiert: Fluorid-Ionen ersetzen in der Gitterstruktur des Titanoxids einen Teil der Sauerstoff-Ionen, stoßen dabei einige der positiv geladenen Titan-Ionen aus und produzieren eine Art Loch bzw. Fehlstelle in dem Gitter. Diese Fehlstellen sind ideale Einlagerungsstellen für positiv geladene Magnesium- oder Aluminium-Ionen.

Eine Technik für übermorgen

In mehreren Versuchsreihen konnten die Wissenschaftler jetzt erstmalig beweisen, dass die reversible Einlagerung der Aluminium- und Magnesium-Ionen über mehrere hundert Zyklen stabil funktioniert und dabei hohe Ladungskapazitäten zeigt. „Wir werden auch zukünftig noch verschiedene Batterietypen nutzen“, so Strasser. „Im Moment ist die Lithium-Ionen-Batterie die preiswerteste und beste Methode für viele Anwendungen. Parallel dazu arbeitet die Wissenschaft an sogenannten Lithium-Schwefel-Batterien, die auch von der Automobilindustrie mit Interesse verfolgt werden. Die Aluminium-/Magnesium-Ionen-Batterie ist eher eine Technik von übermorgen, für Anwendungen die zum Beispiel sehr auf Sicherheit fokussiert sind.“