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Metall-Luft-Batterien

Abkürzung: Me-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.

Bezieht man die elektrochemisch passiven Komponenten ein, die nötig sind, damit eine Metall-Luft-Batterie funktionieren kann, reduziert sich die Energiedichte aber oft erheblich. So liegt die theoretische materialseitige Energiedichte eines Lithium-Luft-Systems bei zu 3.450 Wh/kg), berücksichtigt man jedoch die gesamte Peripherie, reduziert sich die mögliche Energiedichte auf etwa 1.000 Wh/kg. Momentan verfügbare Primärzellen erreichen Energiedichten von rund 800 Wh/kg.1

Es gibt Typen, die bereits kommerziell verfügbar sind, wie Zink-Luft-Batterien für Hörgeräte. Diese sind aber nicht wieder aufladbar. Daher wird derzeit an unterschiedlichen sekundären (vgl. sekundäre Batterie) 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.

Die Luft enthält neben Sauerstoff viele andere Bestandteile, die sich teilweise negativ auf die Lebensdauer der Batterien auswirken. Statt die Luft mit zusätzlicher Technik zu reinigen, kann man der Batterie auch direkt reinen Sauerstoff zuführen – etwa aus Gasflaschen. In diesem Fall spricht man von Metall-Sauerstoff-Batterien (Abkürzung: Me-O2-Batterien).

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

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.

Anwendungen

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 für welche Anwendungen durchsetzen werden.

Literatur

  1. Thielmann, A.; Neef, C.; Hettesheimer, T.; Döscher, H.; Wietschel, M.; Tübke, J., Energiespeicher-Roadmap (Update 2017): Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zukünftiger Batterietechnologien, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI: Karlsruhe, (2017), S. 106f.; Online (jüngster Zugriff: 01.06.2018)
  • Neupert, U., Europäische Sicherheit & Technik, (2014) 7, 64