Japanische Forscher entwickeln Feststoffbatterie auf Luftbasis

Physikalisch betrachtet ist eine Batterie kein Stromspeicher im eigentlichen Sinn, denn die Energie ist in chemischer Form gebunden. Eine Batterie ist also vielmehr ein Gefäß, in dessen Inneren Reaktionen ablaufen, die chemische Energie in Strom umwandeln. Ist diese Reaktion umkehrbar, kann man die Batterie erneut laden und nutzen. Die verwendeten Stoffe bestimmen dabei sowohl Spannung als auch Stromstärke sowie weitere Parameter.

Physik oder Chemie? Hauptsache Strom!

Geräte aller Größen – von Taschenlampen über Werkzeug bis zu E-Autos – nutzen derzeit Metall-Ionen-Batterien. Darüber hinaus gibt es Batterien, die Häuser oder ganze Stadtviertel mit elektrischer Energie versorgen können.

Bestehen diese nicht aus vielen (alten) Metall-Ionen-Batterien, kommen häufig sogenannte Redox-Batterien zum Einsatz. Ihre Energie steckt dabei in zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten. Namensgebend ist die chemische Reaktion beim Laden und Entladen, bei der Oxidation und Reduktion gleichzeitig stattfinden, die Redoxreaktion.

Bei Metall-Luft-Batterien wiederum reagieren Metalle mit dem Sauerstoff aus der Luft, diese Technik steckt häufig in Knopfzellen und versorgt vorrangig kleine und kleinste Geräte wie Armbanduhren und Hörgeräte.

Eine Batterie der nächsten Generation

In jüngster Zeit werden zudem redoxaktive organische Moleküle in wiederaufladbaren Metall-Luft-Batterien verwendet. Hier sind Protonen und Hydroxid-Ionen an den Reaktionen beteiligt. Solche Batterien weisen eine hohe Leistung auf, die nahe an der theoretisch möglichen Höchstkapazität liegt.

Zugleich überwinden sie einige der mit Metall-Elektroden verbundenen Probleme, einschließlich der Bildung von „Dendriten“, spitzen Strukturen auf den Elektroden, die die Leistung beeinträchtigen und im schlimmsten Fall zur Zerstörung der Batterie führen. Diese Energiespeicher verwenden jedoch – genau wie Batterien auf Metallbasis – flüssige Elektrolyte, die große Sicherheitsbedenken wie hohen elektrischen Widerstand, Auslaugungseffekte und Entflammbarkeit mit sich bringen.

Forscher um Professor Kenji Miyatake von der japanischen Universität Waseda gehen daher noch einen Schritt weiter und haben eine wiederaufladbare Redox-Metall-Luft-Batterie entwickelt, die ausschließlich aus festen Bestandteilen besteht. Ihre Ergebnisse hinsichtlich Kapazität und Haltbarkeit veröffentlichten sie Anfang Mai in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“.

Elektro-Chemie für Fortgeschrittene

Die Forscher wählten zwei Chemikalien namens 2,5-Dihydroxy-1,4-benzochinon (DHBQ) und Poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzochinon-3,6-methylen) (PDBM) als aktive Materialien für die negative Elektrode. Die Stoffe ermöglichen zuverlässige und reversible Redoxreaktionen unter sauren Bedingungen. Ferner verwendeten sie ein protonenleitendes Polymer namens Nafion als Festelektrolyt und ersetzten damit herkömmliche flüssige Elektrolyte.

Soweit ich weiß, wurden bisher noch keine Luft-Batterie auf der Grundlage von organischen Elektroden und festen Polymerelektrolyten entwickelt“, sagte Miyatake.

Entlade- (oben) und Ladereaktion der festen Metall-Luft-Batterie. Foto: Miyatake et al. (2023) (CC BY-NC 4.0)

Anschließend untersuchten die Forscher experimentell die Lade- und Entladeleistung sowie -raten als auch die Zyklenfestigkeit. Sie stellten fest, dass sich ihre Feststoffbatterie im Gegensatz zu typischen Luftbatterien mit metallischer Kathode und flüssigen Elektrolyten in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff nicht verschlechtert.

Durch den Austausch von DHBQ durch sein polymeres Gegenstück PDBM konnten sie zudem die Leistung deutlich steigern. Während die Entladekapazität pro Gramm DHBQ 29,7 Milliamperestunden (mAh) betrug, lag der entsprechende Wert für das Polymer bei 176,1 mAh. Die Stromdichte veränderte sich dabei nicht.

Erster Schritt zu hohen Zielen

Die Forscher stellten außerdem fest, dass der Wirkungsgrad der Batterie mit Polymer bei einer elektrischen Ladung von vier Coulomb (C) 84 Prozent betrug. Bei 101 C sank dieser allmählich auf 66 Prozent. Während die Entladekapazität zunächst nach 30 Zyklen auf 44 sank, konnten die Forscher sie durch Erhöhung des Polymeranteils der negativen Elektrode deutlich auf 78 Prozent verbessern. Elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigten zudem, dass die Zugabe von Nafion die Leistung und Haltbarkeit der polymerbasierten Elektrode verbesserte.

Letztlich demonstrierten die Forscher damit erstmals den erfolgreichen Betrieb einer derartigen Feststoffbatterie auf Luftbasis und hoffen, dass diese den Weg für weitere Fortschritte ebnen wird. „Diese Technologie kann die Batterielebensdauer kleiner elektronischer Geräte wie Smartphones verlängern und schließlich zur Verwirklichung einer kohlenstofffreien Gesellschaft beitragen“, schließt Miyatake.