Akkutechnologien Wasserakkus brennen nicht

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Ein internationales Team von Forschern und Industrievertretern unter der Leitung des Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) hat recycelbare Wasserakkus entwickelt, die weder Feuer fangen noch explodieren können.

Lithium-Ionen-Energiespeicher sind aufgrund ihrer technologischen Reife marktbeherrschend, doch ihre Eignung für die Energiespeicherung in großem Maßstab wird durch Sicherheitsbedenken hinsichtlich der flüchtigen Materialien im Inneren eingeschränkt. „Unsere Wasserakkus stehen an der Spitze eines aufkommenden Feldes von wässrigen Energiespeichern, mit Durchbrüchen, welche die Leistung und Lebensdauer der Technologie erheblich verbessern“, so der leitende Forscher Professor Tianyi Ma. „Was wir entwerfen und herstellen, nennt man wässrige Metall-Ionen-Akkus – aber wir können sie auch einfach Wasserakkus nennen.“

Wasser ersetzt organische Elektrolyte

Das Team um Professor Ma verwendet Wasser als Ersatz für organische Elektrolyte, die den Stromfluss zwischen Anode und Kathode ermöglichen. Das bedeutet, dass ihre Akkus im Gegensatz zu ihren Lithium-Ionen-Pendants weder Feuer fangen noch explodieren können.

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„Unsere Akkus lassen sich sicher zerlegen – und die Materialien können wiederverwendet oder recycelt werden“, so Ma, der damit auf die Probleme eingeht, die Verbraucher, Industrie und Regierungen weltweit bei der Entsorgung der derzeitigen Energiespeichertechnologie haben.

Einfache Fertigung ermöglicht Massenproduktion

Die Einfachheit der Herstellungsprozesse für ihre Wasserakkus habe dazu beigetragen, dass eine Massenproduktion möglich ist. „Wir verwenden Materialien wie Magnesium und Zink, die in der Natur reichlich vorhanden, kostengünstig und weniger giftig sind als Alternativen, die in anderen Arten von Akkus verwendet werden, was dazu beiträgt, die Herstellungskosten zu senken und die Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt zu verringern.“

Wie hoch ist das Potenzial für die Energiespeicherung und die Lebensdauer?

Das Team hat eine Reihe kleiner Testzellen für zahlreiche von Experten begutachtete Studien hergestellt, um verschiedene technologische Herausforderungen zu bewältigen, darunter die Erhöhung der Energiespeicherkapazität und der Lebensdauer.

Den Wissenschaftlern ist es gelungen, die Kathoden zu schützen und das Dendritenwachstum zu verhindern. Dafür beschichtete das Team die betroffenen Teile mit Wismut und dessen Oxid als Schutzschicht, was die Bildung von Dendriten verhindert. „Unsere Akkus halten jetzt deutlich länger – vergleichbar mit den handelsüblichen Lithium-Ionen-Akkus auf dem Markt – und sind damit ideal für den schnellen und intensiven Einsatz in realen Anwendungen. Mit der beeindruckenden Kapazität und der verlängerten Lebensdauer haben wir nicht nur die Akkutechnologie weiterentwickelt, sondern auch unser Design erfolgreich in Solarzellen integriert und damit eine effiziente und stabile Speicherung erneuerbarer Energien demonstriert.“

Höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus

Der Wasserakku des Teams schließt die Lücke zur Lithium-Ionen-Technologie in Bezug auf die Energiedichte, mit dem Ziel, so wenig Platz wie möglich pro Energieeinheit zu benötigen. „Wir haben kürzlich einen Magnesium-Ionen-Wasserakku hergestellt, der eine Energiedichte von 75 Wh/kg aufweist – das sind bis zu 30 Prozent mehr als bei den neuesten Tesla-Akkus. Als nächstes wollen wir die Energiedichte unserer Wasserakkus durch die Entwicklung neuer Nanomaterialien als Elektrodenmaterialien weiter erhöhen.“

Laut Ma sei Magnesium wahrscheinlich das Material der Wahl für zukünftige Wasserakkus. „Magnesium-Ionen-Wasserakkus haben das Potenzial, Bleisäureakkus kurzfristig zu ersetzen – etwa in ein bis drei Jahren – und langfristig, in fünf bis zehn Jahren, möglicherweise Lithium-Ionen-Akkus. Magnesium ist leichter als die alternativen Metalle wie Zink und Nickel, hat eine größere potenzielle Energiedichte und wird Akkus mit schnelleren Ladezeiten und einer besseren Fähigkeit zur Unterstützung stromhungriger Geräte und Anwendungen ermöglichen.“

Mögliche Anwendungen

Laut Ma seien die Akkus seines Teams gut für groß angelegte Anwendungen geeignet, was sie ideal für die Netzspeicherung und die Integration erneuerbarer Energien mache – insbesondere im Hinblick auf Sicherheitsaspekte. „Mit den Fortschritten unserer Technologie könnten auch andere Arten von Energiespeicheranwendungen in kleinerem Maßstab, wie die Stromversorgung von Haushalten und Unterhaltungsgeräten, Realität werden.“

Enge Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen

Im Rahmen eines ARC Linkage-Projekts entwickelt das Team von Ma seine Wasserakkus in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner GrapheneX, einem in Sydney ansässigen technischen Innovator, kontinuierlich weiter. „Wir arbeiten auch eng mit Forschern und Experten von renommierten Universitäten und Forschungseinrichtungen in Australien, den USA, Großbritannien, Japan, Singapur, China und anderen Ländern zusammen. Diese Kooperationen erleichtern den Wissensaustausch und den Zugang zu hochmodernen Einrichtungen. Indem wir auf das Fachwissen dieses globalen Teams in verschiedenen Bereichen zurückgreifen, können wir die damit verbundenen komplexen Herausforderungen aus verschiedenen Blickwinkeln angehen.“

Die jüngste Forschungsarbeit des Teams mit dem Titel „Synergy of dendrites-impeded atomic clusters dissociation and side-reactions suppressed inert interface protection for ultrastable Zn anode“ wurde in Advanced Materials veröffentlicht. (tk)

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