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Metall-Luft-Batterien

In Metall-Luft-Batterien wird die elektrische Energie durch die chemische Reaktion von Metallen mit Sauerstoff freigesetzt. Sie nehmen unter den Batterien eine Sonderstellung ein, da einer der beiden Reaktionspartner (in diesem Fall der Sauerstoff) über eine spezielle Elektrode aus der Umgebungsluft gewonnen wird und nicht in der Batterie vorgehalten werden muss. Daher lassen sich mit diesen Systemen zumindest theoretisch deutlich höhere Energiedichten realisieren als mit gängigen Batterietypen.

Es gibt Typen, die bereits eingesetzt werden, wie Zink-Luft-Batterien für Hörgeräte. Diese sind aber nicht wieder aufladbar. Daher wird derzeit an unterschiedlichen Metall-Luft-Batterien gearbeitet, die sich hinsichtlich des eingesetzten Metalls und damit verbunden auch bezüglich der erreichbaren Energiedichte und vieler anderer Parameter unterscheiden. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die noch sehr geringen Lebensdauern dieser Batterien zu erhöhen, bei denen die sehr komplexen chemischen Lade- und Entladevorgänge noch nicht ausreichend verstanden und beherrscht werden. So bedarf es etwa generell noch wesentlich effizienterer und zuverlässigerer Elektroden, an denen der Luftsauerstoff sowohl reduziert als auch wieder erzeugt werden kann.

Aufbau und chemische Reaktion

In Metall-Luft-Batterien besteht die Kathode aus reinem Metall. Als Anode verwendet man etwa eine poröse Elektrode mit Luftkontakt. Beim Entladen wird dort Sauerstoff aus der Luft reduziert, beim Laden oxidiert. Dieser verbindet sich dann mit den Metall-Ionen, die in der Kathode oxidiert werden und durch den Elektrolyten zur Anode wandern.

Typen

Besonders an der Realisierung von Lithium-Luft-Batterien wird intensiv geforscht. Da Lithium von allen Metallen das höchste elektrochemische Potential aufweist, bieten diese Batterien von allen Metall-Luft-Systemen die mit Abstand höchste Energiedichte, die man theoretisch erreichen kann. Im Vergleich zum Stand der Technik hofft man, auch in der Praxis etwa zehnfach höhere Energiedichten zu erzielen, um die Reichweiten von Elektrofahrzeugen auf Basis solcher Batterien konkurrenzfähig zu heutigen benzinbetriebenen Autos zu machen. Allerdings kann sich auch herausstellen, dass viel zusätzliche Technik und Elektronik benötigt wird (etwa zur Reinigung der Luft), so dass durch das dadurch verursachte Gewicht und der dadurch verursachte Platz die theoretische Energiedichte derart verringert, dass die Batterien kaum noch Vorteile zu weiterentwickelten Lithium-Ionen-Batterien haben. Große Herausforderungen liegen derzeit bei der Erzielung einer akzeptablen Ladezyklenzahl und der Reduzierung der Spannungsverluste beim Laden und Entladen.

Lithium-Luft-Batterien zählen übrigens nicht zu den Lithium-Ionen-Batterien, in denen die Lithium-Ionen sogenannte Interkalationsverbindungen mit dem Elektrodenmaterial eingehen.

Natrium-Luft-Batterien sind eng verwandt mit den Lithium-Luft-Batterien. Bei ihnen sind die Spannungsverluste beim Laden und Entladen im Vergleich aber deutlich geringer. Die Energiedichte, die sich theoretisch erreichen lässt, ist zwar um die Hälfte niedriger, dennoch stellt sie eine interessante Alternative dar, vor allem, weil der Rohstoff Natrium problemlos und kostengünstiger verfügbar ist. Somit könnten Natrium-Luft-Batterien vor allem bei stationären Großbatterien in Stromnetzen zukünftig eine Rolle spielen. Ähnlich interessante Eigenschaften hat auch die ebenfalls erst seit kürzerer Zeit in der Entwicklung befindliche Silicium-Luft-Batterie, für welche die Rohmaterialien in besonders großer Menge vorhanden sind.

Parallel zur Lithium-Luft-Batterie wird auch schon seit längerer Zeit intensiv an der Realisierung einer wieder aufladbaren Zink-Luft-Batterie gearbeitet. Im Vergleich zu Batterien mit Lithium oder Natrium sind alle Komponenten unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Damit muss die Fertigung nicht in einer Schutzatmosphäre erfolgen, was diese kostengünstiger macht. Zusätzlich sind die Rohstoffkosten für das Zinkmetall und die wässrigen Elektrolyte wesentlich geringer, sodass Zink-Luft-Batterien für viele Anwendungszwecke ökonomischer sein könnten als Lithium-Luft-Batterien, allerdings bei etwa dreifach geringerer Energiedichte.

Weitere wieder aufladbare Metall-Luft-Batterien, die derzeit Gegenstand breiterer Forschungsanstrengungen sind, basieren auf Aluminium (Aluminium-Luft-Batterie) oder Magnesium (Magnesium-Luft-Batterie) als Elektrodenmaterial. Sie können zwar nicht die hohe Energiedichte von Lithium-Luft-Batterien erreichen, könnten dafür aber unter Berücksichtigung der Kosten und der Umweltfreundlichkeit einen guten Kompromiss darstellen. Deshalb könnten sie sich vor allem für die Stromspeicherung in großen stationären Anlagen eignen.

Elektrisch wieder aufladbare Metall-Luft-Batterien könnten frühestens in ein bis zwei Jahrzehnten auf dem Markt zum Durchbruch kommen. Bis dahin müssen jedoch noch vielfältige Herausforderungen bezüglich des Verständnisses und der Beherrschung der zugrundeliegenden chemischen Reaktionen überwunden werden. Dabei ist offen, welche Typen sich letztendlich durchsetzen werden.

Literatur

  • Bartels, H., Europäische Sicherheit & Technik, (2016) 7, 64
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