Akkutechnologien Akku aus Aluminium, Schwefel und Salz: schnell, sicher und preisgünstig

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Ein Aluminium-Schwefel-Akku, der aus kostengünstigen, reichlich vorhandenen Materialien hergestellt wird, könnte eine kostengünstige Reservespeicherung für erneuerbare Energiequellen bieten.

Da weltweit immer mehr Wind- und Solarenergiesysteme installiert werden, wächst der Bedarf an wirtschaftlichen, groß angelegten Backup-Systemen, die Strom liefern, wenn die Sonne untergeht und die Luft ruhig ist. Die heutigen Lithium-Ionen-Akkus sind für die meisten derartigen Anwendungen noch zu teuer, und andere Optionen, z. B. Wasserkraftwerke, erfordern eine spezielle Topografie, die nicht immer verfügbar ist. Jetzt haben Forscher einen Akku entwickelt, der vollständig aus reichlich vorhandenen und preiswerten Materialien besteht und dazu beitragen könnte, diese Lücke zu schließen.

Die neue Akkuarchitektur, die Aluminium und Schwefel als zwei Elektrodenmaterialien mit einem geschmolzenen Salzelektrolyten verwendet, wurde in der Fachzeitschrift Nature in einem Beitrag von MIT-Professor Donald Sadoway und 15 weiteren Forschern am MIT sowie in China, Kanada, Kentucky und Tennessee beschrieben.

Lithium-Ionen-Akkus sind teuer und gefährlich

„Ich wollte etwas erfinden, das viel besser ist als Lithium-Ionen-Akkus für kleine stationäre Speicher und schließlich für den Einsatz in Kraftfahrzeugen“, erklärt Sadoway, der emeritierte John F. Elliott-Professor für Materialchemie.

Lithium-Ionen-Akkus sind teuer und enthalten zudem einen entflammbaren Elektrolyten, was ihren Transport gefährlich macht. Also begann Sadoway, nach preisgünstigen, auf der Erde reichlich vorhandenen Metallen zu suchen, die Lithium ersetzen könnten. „Das kommerziell dominierende Metall, Eisen, hat nicht die richtigen elektrochemischen Eigenschaften für eine effizienten Akku“, so Sadoway. „Das zweithäufigste Metall auf dem Markt – und eigentlich das am häufigsten vorkommende Metall auf der Erde – ist Aluminium. Also habe ich gesagt: Na gut, dann machen wir das einfach als Buchstütze. Es wird Aluminium sein.“

Billiges Schwefel als Elektrodenmaterial

Dann musste er entscheiden, womit er das Aluminium für die andere Elektrode kombinieren wollte und welche Art von Elektrolyt dazwischen liegen sollte, um die Ionen beim Laden und Entladen hin und her zu transportieren. Das billigste aller Nichtmetalle ist Schwefel, und so wurde es zum zweiten Elektrodenmaterial. „Als Elektrolyt wollten wir nicht die flüchtigen, entflammbaren organischen Flüssigkeiten verwenden, die manchmal zu gefährlichen Bränden in Autos und anderen Anwendungen von Lithium-Ionen-Akkus geführt haben“, erklärt Sadoway. „Wir versuchten es mit einigen Polymeren, entschieden uns dann aber für eine Reihe von geschmolzenen Salzen, die einen relativ niedrigen Schmelzpunkt haben – nahe dem Siedepunkt von Wasser, im Gegensatz zu fast 1.000 °C bei vielen Salzen. Sobald man in die Nähe der Körpertemperatur kommt, wird es praktisch, wenn man Akkus bauen will, die keine besondere Isolierung und Korrosionsschutzmaßnahmen erfordern.“

Die drei Zutaten, die sie gefunden haben, sind billig und leicht erhältlich: Aluminium, das sich nicht von der Folie im Supermarkt unterscheidet, Schwefel, der häufig als Abfallprodukt bei Prozessen wie der Erdölraffination anfällt, und weit verbreitete Salze. „Die Zutaten sind billig, und die Sache ist sicher – sie kann nicht brennen“, so Sadoway weiter.

In ihren Experimenten zeigte das Team, dass die Zellen Hunderte von Zyklen bei außergewöhnlich hohen Ladegeschwindigkeiten aushalten können, wobei die Kosten pro Zelle nur etwa ein Sechstel der Kosten vergleichbarer Lithium-Ionen-Zellen betragen. Die Ladegeschwindigkeit hängt stark von der Arbeitstemperatur ab, wobei 110 °C 25-mal schnellere Raten als 25 °C ergeben.

Chloraluminatsalz mit niedrigem Schmelzpunkt

Überraschenderweise erwies sich das geschmolzene Salz, das das Team nur wegen seines niedrigen Schmelzpunkts als Elektrolyt wählte, als vorteilhaft. Eines der größten Probleme bei der Zuverlässigkeit von Akkus ist die Bildung von Dendriten, d. h. schmale Metallnadeln, die sich auf einer Elektrode ansammeln und schließlich auf die andere Elektrode übergreifen, was einen Kurzschluss verursacht und die Effizienz beeinträchtigt. Dieses von den Forschern gewählte Chloraluminatsalz ist sehr gut in der Lage, diese Fehlfunktion zu verhindern. Es verhindert im Wesentlichen die Entstehung von Dendriten und ermöglicht gleichzeitig eine sehr schnelle Aufladung.

„Wir haben Experimente mit sehr hohen Ladegeschwindigkeiten durchgeführt und in weniger als einer Minute aufgeladen, und wir haben nie Zellen aufgrund von Dendritenkurzschlüssen verloren“, weiß Sadoway zu berichten. „Es ist schon komisch, denn der ganze Fokus lag darauf, ein Salz mit dem niedrigsten Schmelzpunkt zu finden, aber die verketteten Chloraluminate, die sie schließlich fanden, erwiesen sich als resistent gegen das Kurzschlussproblem. Hätten wir zu Beginn versucht, dendritische Kurzschlüsse zu verhindern, wäre ich mir nicht sicher, ob ich gewusst hätte, wie ich das angehen sollte. Ich denke, es war ein Glücksfall für uns.“

Darüber hinaus benötigt der Aluminium-Schwefel-Akku keine externe Wärmequelle, um seine Betriebstemperatur zu halten. Die Wärme wird auf natürliche Weise elektrochemisch durch das Laden und Entladen des Akkus erzeugt. „Beim Aufladen wird Wärme erzeugt, die das Salz vor dem Gefrieren bewahrt. Und beim Entladen wird ebenfalls Wärme erzeugt“, so Sadoway. „In einer typischen Installation, die zum Beispiel für den Lastausgleich in einer Solaranlage verwendet wird, speichert man Strom, wenn die Sonne scheint, und entnimmt ihn nach Einbruch der Dunkelheit, und das jeden Tag. Und dieses Aufladen im Leerlauf und Entladen im Leerlauf reicht aus, um genug Wärme zu erzeugen, um das Ding auf Temperatur zu halten.“

Akkukonzept für kleinere bis mittlere Unternehmen

Dieses neue Akkukonzept sei ideal für Anlagen in der Größenordnung von einigen Dutzend Kilowattstunden Speicherkapazität, die für die Stromversorgung eines einzelnen Hauses oder eines kleinen bis mittleren Unternehmens benötigt werden.

Für größere Installationen, bis hin zu einer Größenordnung von einigen Dutzend bis Hunderten von Megawattstunden, könnten andere Technologien effektiver sein, einschließlich der Flüssigmetallakkus, die Sadoway und seine Studenten vor einigen Jahren entwickelt haben und die die Grundlage für ein Spin-off-Unternehmen namens Ambri bildeten, das hofft, seine ersten Produkte innerhalb des nächsten Jahres liefern zu können. Für diese Erfindung wurde Sadoway kürzlich mit dem diesjährigen Europäischen Erfinderpreis ausgezeichnet.

Aluminium-Schwefel-Akkus für Ladestationen für Elektrofahrzeuge

„Der kleinere Maßstab der Aluminium-Schwefel-Akkus würde sie auch für Anwendungen wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge praktisch machen“, betont Sadoway. Er weist darauf hin, dass, wenn Elektrofahrzeuge auf den Straßen so weit verbreitet sind, dass mehrere Autos gleichzeitig aufgeladen werden wollen, wie es heute bei Benzin-Zapfsäulen der Fall ist, „wenn man versucht, das mit Akkus zu machen, und man will schnelles Aufladen, sind die Stromstärken einfach so hoch, dass wir diese Stromstärke in der Leitung, die die Einrichtung speist, nicht haben. Ein Akkusystem wie dieses, das Strom speichert und bei Bedarf schnell wieder abgibt, könnte also die Installation teurer neuer Stromleitungen für diese Ladegeräte überflüssig machen.“

Die neue Technologie ist bereits die Grundlage für ein neues Spin-off-Unternehmen namens Avanti, das die Patente für das System lizenziert hat und von Sadoway und Luis Ortiz mitbegründet wurde. „Als Erstes muss das Unternehmen nachweisen, dass es in großem Maßstab funktioniert“, so Sadoway, „und es dann einer Reihe von Stresstests unterziehen, unter anderem Hunderte von Ladezyklen durchlaufen.“

Akkus auf Schwefelbasis stinken nicht

Besteht bei einem auf Schwefel basierenden Akku die Gefahr, dass sie die üblen Gerüche erzeugt, die mit einigen Formen von Schwefel verbunden sind? „Auf keinen Fall“, betont Sadoway. „Der Geruch nach faulen Eiern entsteht durch das Gas Schwefelwasserstoff. Das ist elementarer Schwefel, der im Inneren der Zellen eingeschlossen ist. Wenn Sie versuchen würden, eine Lithium-Ionen-Zelle in Ihrer Küche zu öffnen, sagt er (und bitte versuchen Sie das nicht zu Hause!), „würde die Feuchtigkeit in der Luft reagieren und Sie würden auch alle Arten von üblen Gasen erzeugen. Das sind berechtigte Fragen, aber die Zelle ist versiegelt, sie ist kein offenes Gefäß. Deshalb würde ich mir darüber keine Sorgen machen.“

Zu dem Forschungsteam gehörten Mitglieder der Peking University, der Yunnan University und der Wuhan University of Technology in China, der University of Louisville in Kentucky, der University of Waterloo in Kanada, des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee und des MIT. Die Arbeit wurde von der MIT Energy Initiative, dem MIT Deshpande Center for Technological Innovation und der ENN Group unterstützt.

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