Renaissance der Eisen-Luft-Batterie

Deutlich höhere Energiedichte als heutige Lithium-Ionen-Batterien.

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich sind eine der treibenden Kräfte bei der Neuerforschung des seit den 1970er Jahren bekannten Konzepts. Dabei soll insbesondere der Prozess der Belagbildung an der Eisen-Elektrode im laufenden Betrieb studiert werden. Ein vertieftes Verständnis der Lade- und Entladereaktionen gilt als Schlüssel für die Weiterentwicklung des wiederaufladbaren Batterietyps bis zur Marktreife.  
Eisen-Luft-Batterien beziehen Energie aus der Reaktion von Eisen mit Sauerstoff. Das Eisen oxidiert dabei ganz ähnlich wie beim Rosten. Der dafür benötigte Sauerstoff kann aus der Umgebungsluft bezogen werden und muss nicht in der Batterie vorgehalten werden. Diese Materialersparnis ist der Grund, warum Metall-Luft-Batterien enorme Energiedichten erzielen. Für Eisen-Luft-Batterien wird eine theoretische Energiedichte von über 1.200 Wh/kg vorhergesagt. Zum Vergleich: Aktuelle Lithium-Ionen-Akkus kommen auf etwa 600 Wh/kg bzw. 350 Wh/kg, wenn man das Gewicht des Zellgehäuses mit berücksichtigt  In Bezug auf die volumetrische Energiedichte schneiden Eisen-Luft-Akkus sogar noch besser ab. Mit 9.700 Wh/l ist diese fast fünfmal höher als die heutiger Lithium-Ionen-Akkus (2.000 Wh/l).  Die neuen Erkenntnisse der Jülicher Forscher schaffen eine neue Basis, um die Eigenschaften der Batterie gezielt zu verbessern .Die Leistung der Batterie verringert sich durch die Ablagerungen nicht. Im Gegenteil: Weil die nanoporöse Schicht die aktive Oberfläche der Elektrode vergrößert, trägt sie dazu bei, dass sich die Kapazität nach jedem Lade- und Entladezyklus ein klein wenig erhöht.  Bis jetzt war man davon ausgegangen, dass sich die Ablagerungen beim Laden wieder zurückbilden. Doch das ist ganz offensichtlich nicht der Fall, Bis zur Marktreife ist es aber noch ein weiter Weg. Elektroden aus Eisen lassen sich isoliert in Laborversuchen zwar schon ohne größere Leistungsverluste über mehrere Tausend Zyklen hinweg betreiben. Vollständige Eisen-Luft-Batterien, die als Gegenpol mit einer Luft-Elektrode ausgestattet sind, halten bis jetzt aber nur 20 bis 30 Zyklen lang durch.
Bild: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich – Gravimetrische und volumetrische Energiedichten verschiedener Metall-Luft-Batteriesysteme im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien und Benzin

AK
14.11.17