Comeback der Eisen-Luft-Batterie?

Energiedichten verschiedener Metall-Luft-Batteriesysteme

Eisen-Luft-Batterien versprechen eine deutlich höhere Energiedichte als heutige Lithium-Ionen-Batterien. Zudem ist Eisen ein häufig vorkommendes und günstiges Material. Das Konzept ist seit den Siebzigerjahren bekannt – Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich wollen es jetzt neu erforschen.

In den Achtzigerjahren war die Forschung zu Metall-Luft-Batterien u. a. wegen technischer Schwierigkeiten ins Stocken geraten. Neuerdings steigt das Interesse wieder. Eisen-Luft-Batterien beziehen Energie aus der Reaktion von Eisen mit Sauerstoff. Das Eisen oxidiert dabei ähnlich wie beim Rosten. Der benötigte Sauerstoff kann aus der Umgebungsluft bezogen werden und muss nicht in der Batterie vorgehalten werden. Aufgrund dieser Materialersparnis erzielen Metall-Luft-Batterien enorme Energiedichten.

Für Eisen-Luft-Batterien wird eine theoretische Energiedichte von über 1.200 Wh/kg vorhergesagt – aktuelle Lithium-Ionen-Akkus kommen auf etwa 600 Wh/kg (bzw. 350 Wh/kg, wenn man das Gewicht des Zellgehäuses mit berücksichtigt). Lithium-Luft-Batterien können sogar bis zu 11.400 Wh/kg erreichen, sind aber technisch noch deutlich schwieriger und aufwendiger zu realisieren. In Bezug auf die volumetrische Energiedichte schneiden Eisen-Luft-Akkus sogar noch besser ab – mit 9.700 Wh/l ist diese fast fünfmal höher als die heutiger Lithium-Ionen-Akkus (2.000 Wh/l). Selbst Lithium-Luft-Batterien erreichen hier lediglich 6.000 Wh/l. Eisen-Luft-Batterien sind folglich insbesondere für vielfältige mobile Anwendungen interessant, bei denen der Platzbedarf eine große Rolle spielt.

Keine seltenen Materialien verwenden

„Wir konzentrieren uns mit unserer Forschung ganz bewusst auf Batterietypen aus Materialien, die sehr häufig in der Erdkruste vorkommen und in großer Menge gefördert werden“, erklärt Institutsleiter Prof. Rüdiger-A. Eichel. „Versorgungsengpässe sind so nicht zu erwarten. Damit verbunden ist zudem ein Kostenvorteil, der sich direkt auf die Batterie übertragen lässt – insbesondere für großskalige Anwendungen, etwa für stationäre Anwendungen zur Stabilisierung des Stromnetzes oder die Elektromobilität.“

Die nun gewonnenen Erkenntnisse der Jülicher Forscher schaffen eine neue Basis, um die Eigenschaften der Batterie gezielt zu verbessern. Mittels sogenannter elektrochemischer in-situ-Rasterkraftmikroskopie konnten sie mit Nanometer-Präzision beobachten, wie sich Ablagerungen aus Eisenhydroxid-Partikeln an der Eisenelektrode unter Bedingungen bilden, die auch beim Laden und Entladen der Batterie vorherrschen. Die Leistung der Batterie verringert sich durch die Ablagerungen nicht. Im Gegenteil: Weil die nanoporöse Schicht die aktive Oberfläche der Elektrode vergrößert, trägt sie dazu bei, dass sich die Kapazität nach jedem Lade- und Entladezyklus ein klein wenig erhöht.

Durch die Untersuchungen erhalten die Forscher von diesem Schichtwachstum erstmals ein vollständiges Bild. Bis jetzt war man davon ausgegangen, dass sich die Ablagerungen beim Laden wieder zurückbilden – was offensichtlich nicht der Fall ist. Zudem lässt sich nun erstmals ein direkter Zusammenhang zwischen der Schichtbildung an der Elektrodenoberfläche und den elektrochemischen Reaktionen nachweisen.

Bis zur Marktreife ist es aber noch ein weiter Weg. Elektroden aus Eisen lassen sich isoliert in Laborversuchen zwar schon ohne größere Leistungsverluste über mehrere Tausend Zyklen hinweg betreiben. Vollständige Eisen-Luft-Batterien, die als Gegenpol mit einer Luft-Elektrode ausgestattet sind, halten bis jetzt aber nur 20 bis 30 Zyklen lang.

Bild: Gravimetrische und volumetrische Energiedichten verschiedener Metall-Luft-Batteriesysteme im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien und Benzin. ©  Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich