Flüssig-Metall-Batterien bei Raumtemperatur könnten Energiespeicher revolutionieren

Die meisten Batterien haben entweder Feststoffelektroden, wie Lithium-Ionen-Batterien für tragbare Elektronikgeräte, oder Flüssigkeitselektroden, wie Flussbatterien für intelligente Stromnetze. Forscher der University of Texas (UT) in Austin haben nun eine sogenannte „Flüssig-Metall-Batterie“ für Anwendungen bei Raumtemperatur entwickelt, die das Beste aus beiden Welten vereint.

Festkörperbatterien können große Energiebeträge auf kleinem Raum speichern. Technisch bedingte Probleme führen dazu, dass die Kapazität im Laufe der Zeit sinkt und die Batterien weniger effizient werden. Flüssigbatterien hingegen weisen keinen langfristigen Verfall auf, reichen jedoch meist nicht aus, um einen hohen Energiebedarf zu decken.

Kalte, flüssige Metalle vereinen das Beste aus zwei Welten

Mussten bisherige Flüssig-Metall-Batterien konstant über 240° Celsius gehalten werden, damit die Materialien geschmolzen blieben, konnten die Forscher aus Texas die minimal benötigte Temperatur auf 20° C senken. Nach Angaben der Forscher ist das die niedrigste je für eine Flüssig-Metall-Batterie gemessene Betriebstemperatur.

„Diese Batterie bietet alle Vorteile sowohl der Fest- als auch Flüssigbatterien – einschließlich mehr Energie, erhöhte Stabilität und Flexibilität. Gleichzeitig weist sie keine der jeweiligen Nachteile auf und spart Energie für die Batterieheizung“, sagte Dr. Yu Ding, Hauptautor der kürzlich in „Advanced Materials“ erschienenen Studie.

Die Forschungsergebnisse versprechen eine größere Leistung als Lithium-Ionen-Batterien bei gleichzeitig höheren Lade- und Entladeströmen, die das schnelle Auf- und Entladen ermöglichen. Aufgrund der flüssigen Komponenten lässt sich die Batterie zudem je nach Leistungsbedarf leicht skalieren.

Je größer die Batterie, desto mehr Leistung kann sie liefern, so die Forscher. Diese Flexibilität ermögliche den Batterien, „potenziell alles anzutreiben, von tragbarer Elektronik bis hin zu intelligenten Stromnetzen.“

Hohe Leistung, „kleiner“ Preis

„Obwohl unsere Batterie im derzeitigen Stadium nicht mit den Hochtemperatur-Flüssig-Metall-Batterien konkurrieren kann, ist eine bessere Leistungsfähigkeit zu erwarten, wenn fortschrittliche Elektrolyte mit hoher Leitfähigkeit entwickelt werden“, sagte Ding.

Möglich macht dies eine Anode auf Basis einer Natrium-Kalium-Legierung sowie eine Galliumlegierung für die Kathode. Gleichzeitig weisen die Forscher darauf hin, dass andere Metalle und Legierungen eine Batterie mit noch niedrigeren Schmelzpunkten ermöglichen könnten.

Zudem sind viele Elemente der Batterie häufiger vorhanden als einige Schlüsselmaterialien herkömmlicher Batterien. Das macht ihre Gewinnung potenziell einfacher und damit günstiger. Gallium bleibt jedoch ein teures Material. Die Suche nach alternativen Materialien, die sowohl die Leistungsfähigkeit steigern, als auch Kosten senken können, bleibt eine zentrale Herausforderung der Batterieforschung.

(Mit Material der University of Texas in Austin)