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Samstag, 01.10.2016
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Umweltfreundliche Akkus aus Katzengold

Pyrit-Nanokristalle ermöglichen leistungsfähige und kostengünstige Strom-Zwischenspeicher

Von wegen wertlos: Nanokristalle aus Pyrit, dem sogenannten Katzengold, ermöglichen leistungsfähige Akkus. Wissenschaftler aus der Schweiz haben damit eine aufladbare Batterie entwickelt, die nur einen Bruchteil so teuer ist wie ein Lithium-Ionen-Akku. Die Katzengold-Batterie ist außerdem umweltfreundlicher und sicherer. Sie ist damit gut geeignet, um große stationäre Speicherakkus für ein stabiles Ökostromnetz zu konstruieren, schreiben die Forscher im Magazin "Chemistry of Materials".
Katzengold: Das Mineral Pyrit bildet typische kubische Kristalle.

Katzengold: Das Mineral Pyrit bildet typische kubische Kristalle.

Für den Umstieg auf erneuerbare Energien sind auch leistungsfähige und preisgünstige Stromspeicher nötig. Da Ökostrom nur unregelmäßig produziert wird, sollen zukünftig sogenannte stationäre Zwischenspeicher die ins Stromnetz eingespeiste Strommenge stabil halten. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um große aufladbare Batterien, die innerhalb von Gebäuden oder neben Kraftwerken aufgestellt werden. Auch die Zahl der Elektroautos, die ihre Akkus schnell aufladen müssen, wird in Zukunft zunehmen.

Leistungsfähig und kostengünstig


Die bekanntesten leistungsfähigen Stromspeicher sind derzeit Lithium-Ionen-Akkus. Sie haben eine hohe Speicherkapazität und lassen sich schnell aufladen, ob im Smartphone oder Elektroauto. Als stationäre Zwischenspeicher eignen sie sich jedoch nur schlecht: Sie sind zu teuer, und das wertvolle Lithium ist zu knapp für die erforderliche Massenproduktion im Maßstab der Zwischenspeicher. Daher sind preisgünstige Alternativen aus massenhaft verfügbaren Materialien gefragt.

Die Kombination von Leistungsfähigkeit und niedrigem Preis ist Forschern um Maksym Kovalenko von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) bei Zürich nun mit einem Material gelungen, dass geradezu sprichwörtlich für seinen geringen Wert ist: dem landläufig als Katzengold bezeichneten Pyrit. Dieses Mineral ist ein kristallines Eisensulfid, es besteht also aus Eisen und Schwefel.


Weniger brandgefährlich als Lithium-Akkus


Nanokristalle aus Pyrit bilden die Kathode der neuen Batterie. Eine Anode aus Magnesium und ein Elektrolyt aus Magnesium- und Natriumionen vervollständigen den Akku. Beim Entladen wandern die Natrium-Ionen aus dem Elektrolyten in die Pyrit-Kathode. Beim Wiederaufladen gibt der Pyrit die Ionen wieder frei.

Pyrit-Nanokristalle im Elektronenmikroskop: Aus solchen Kristallen besteht die Kathode der "Katzengold-Batterie"

Pyrit-Nanokristalle im Elektronenmikroskop: Aus solchen Kristallen besteht die Kathode der "Katzengold-Batterie"

Diese sogenannte Natrium-Magnesium-Hybrid-Batterie funktioniert bereits im Labor und vereint verschiedene Vorteile, wie die Forscher berichten: Das Magnesium der Anode ist weit sicherer als das leicht brennbare Lithium. Und schon der Akku-Prototyp im Labor überstand 40 Lade- und Entladezyklen, ohne dabei an Leistungsfähigkeit einzubüßen.

Günstig und leicht herzustellen


Der größte Vorteil ist jedoch, dass alle Zutaten für diese Art Akku in nahezu beliebiger Menge und sehr preisgünstig vorhanden sind: Eisen, Magnesium, Natrium und Schwefel gehören zu den fünfzehn häufigsten chemischen Elementen in der Erdkruste. Ein Kilogramm Magnesium ist daher 15-mal billiger als Lithium.

Die Pyrit-Nanokristalle lassen sich zudem einfach herstellen, indem man metallisches Eisen mit Schwefel in herkömmlichen Kugelmühlen trocken vermahlt. Und auch beim Zusammenbau der Billig-Akkus lässt sich sparen: Li-Ionen-Akkus brauchen relativ teure Kupferfolien, um den Strom zu sammeln und abzuleiten. Bei der "Katzengold-Batterie" dagegen reicht Alufolie.

Gespeicherte Jahresproduktion eines Kraftwerks


Die Forscher sehen in ihrer Neuentwicklung vor allem Potential für große Netzspeicherbatterien. Zwar eigne sich die Katzengold-Batterie nicht für Elektroautos – dafür ist ihre Leistung zu gering. Doch dort, wo es auf Kosten, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit ankommt, sei die Technik im Vorteil. Ein von den Wissenschaftlern vorgeschlagener Batteriespeicher auf dieser Grundlage könnte eine Kapazität im Bereich von Terawattstunden haben. Damit ließe sich die Jahresproduktion eines durchschnittlichen Atomkraftwerks zwischenspeichern.

"Noch ist das volle Potential der Batterie nicht ausgeschöpft", sagt Studienleiter Kovalenko, und ist optimistisch gegenüber weiteren Verbesserungen der Katzengold-Batterie: "Mit Hilfe weiterentwickelter Elektrolyten lässt sich die elektrische Spannung und die Lebensdauer der Natrium-Magnesium Hybrid-Zelle mit Sicherheit noch erhöhen." (Chemistry of Materials, 2015; doi: 10.1021/acs.chemmater.5b03531)
(Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, 16.11.2015 - AKR)
 
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