Sauerstoff-Ionen-Batterie: Alternative zu Lithium und Natrium?

Forschung zeigt, die Vorteile der Sauerstoff-Ionen-Batterie: Insbesondere die lange Lebensdauer.

Die Batterietechnologie bringt kontinuierlich Innovationen hervor. Dazu zählt auch die Sauerstoff-Ionen-Batterie, die Forscher der TU Wien nun vorgestellt haben. Diese hat zwar etwas geringere Energiedichten als Lithium-Ionen-Batterien, verliert dafür aber keine Speicherkapazität im Laufe der Zeit. Durch die Möglichkeit der Regeneration hat diese alternative eine extrem lange Lebensdauer. Zweiter Vorteil ist, dass keine seltenen Elemente benötigt werden – und, Vorteil Nummer 3: Die Sauerstoff-Batterie ist unbrennbar.

Die neuartige Batterie-Idee, die auch schon andere Forschungsgruppen etwa vom MIT aufgegriffen haben, ist von Forschern der TU Wien, die einen Prototyp der Sauerstoff-Ionen-Batterie vorstellten, mit Kooperationspartnern aus Spanien zum Patent angemeldet. Für große Energiespeicher, etwa zum Aufbewahren elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen, könnte die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine relevante Lösung werden. 

Keramische Materialien als neue Lösung

„Wir haben schon seit längerer Zeit viel Erfahrung mit keramischen Materialien gesammelt, die man für Brennstoffzellen verwenden kann“, sagt Alexander Schmid vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. „Das brachte uns auf die Idee, zu untersuchen, ob solche Materialien vielleicht auch dafür geeignet wären, eine Batterie herzustellen.“

Die keramischen Materialien, die das Team untersuchte, können doppelt negativ geladene Sauerstoff-Ionen aufnehmen und abgeben. Wird eine elektrische Spannung angelegt, wandern die Sauerstoff-Ionen von einem keramischen Material zum anderen, danach kann man sie wieder zurückwandern lassen und so elektrischen Strom erzeugen.

„Das Grundprinzip ist eigentlich sehr ähnlich wie bei der Lithium-Ionen-Batterie“, sagt Prof. Jürgen Fleig. „Aber unsere Materialien haben einige wichtige Vorteile.“ Keramik ist nicht brennbar – Brandunfälle, wie sie bei Lithium-Ionen-Batterien immer wieder vorkommen, sind damit also praktisch ausgeschlossen. Außerdem kommt man ohne seltene Elemente aus, die teuer sind oder nur auf umweltschädliche Weise gewonnen werden können.

„In diesem Punkt ist die Verwendung von keramischen Materialien ein großer Vorteil, weil sie sehr gut angepasst werden können“, sagt Tobias Huber. „Man kann relativ problemlos bestimmte Elemente, die nur schwer zu bekommen sind, durch andere ersetzen.“ Der Prototyp der Batterie verwendet noch Lanthan – ein zwar nicht seltenes aber doch nicht völlig alltägliches Element. Doch auch Lanthan soll noch durch etwas Billigeres ersetzt werden, Forschungen daran laufen bereits. Auf Kobalt oder Nickel, die in vielen Batterien verwendet werden, kann man völlig verzichten.

Sauerstoff-Batterie: Sehr lange Lebensdauer möglich

Der vielleicht wichtigste Vorteil der neuen Batterietechnik ist aber ihre potentielle Langlebigkeit: „In vielen Batterien hat man das Problem, dass sich die Ladungsträger irgendwann nicht mehr bewegen können“, sagt Alexander Schmid. „Dann können sie nicht mehr zur Stromerzeugung genutzt werden, die Kapazität der Batterie sinkt. Nach vielen Ladungszyklen kann das zum ernsten Problem werden.“

Die Sauerstoff-Ionen-Batterie hingegen lässt sich problemlos regenerieren: Wenn Sauerstoff durch Nebenreaktionen verloren geht, dann kann der Schwund einfach durch Sauerstoff aus der Umgebungsluft ausgeglichen werden.

Für Smartphones oder Elektroautos ist das neue Batterie-Konzept nicht gedacht, denn die Sauerstoff-Ionen-Batterie erreicht nur rund ein Drittel der Energiedichte, die man von Lithium-Ionen-Batterien gewohnt ist und läuft bei Tempersturen zwischen 200 und 400 °C. Höchst interessant aber ist die Technologie zum Speichern großer Energiemengen.

„Wenn man etwa einen großen Energiespeicher benötigt, um Solar- oder Windenergie zwischenzuspeichern, wäre die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine hervorragende Lösung“, glaubt Alexander Schmid. „Wenn man ohnehin ein ganzes Gebäude mit Energiespeicher-Modulen errichtet, spielt die geringere Energiedichte und erhöhte Betriebstemperatur keine entscheidende Rolle. Die Stärken unserer Batterie wären gerade dort aber besonders wichtig: Die lange Lebensdauer, die Möglichkeit, große Mengen dieser Materialien ohne seltene Elemente herzustellen, und die Tatsache, dass es bei diesen Batterien keine Brandgefahr gibt.“

Einschätzung von Martin Jendrischik, Gründer von Cleanthinking.de:

Ob die Sauerstoff-Ionen-Batterie wirklich einer relevante Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie und zur Natrium-Ionen-Batterie werden kann, muss die Zukunft zeigen. Wahrscheinlich erscheint, dass mehrere Technologien je nach Anwendungsfall in Zukunft nebenher bestehen werden – insbesondere geeignet sind dafür solche Lösungen, die auf ähnliche Produktionslinien betrieben werden können. Das ist bei Lithium und Natrium-Batterien möglich – vermutlich auch bei der Sauerstoff-Batterie.