Kalziumbasierter Akku entwickelt

Lithiumionenakkus sind als Stromspeicher für Elektronik und Elektromobile unverzichtbar und werden stetig verbessert. Parallel werden aber auch andere Metalle daraufhin getestet, ob sie sich als Akku-Material eignen. Eine internationale Forschergruppe präsentierte nun in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ eine erste wiederaufladbare Batterie auf Kalziumbasis. Im Vergleich zu Lithium gibt es viel größere Kalziumvorkommen. Zudem könnten bei gleicher Leistung prinzipiell kleinere Akkus entwickelt werden, da Kalziumionen doppelt positiv geladen sind, Lithiumionen dagegen nur einfach.

Ebene mit Kügelchen, die teilweise miteinander verbunden sind.
Kalziumakku unterm Mikroskop

„Wir sind davon überzeugt, dass diese Technologie mit günstigem und in großen Mengen verfügbarem Kalzium eine Zukunft haben wird“, sagt Rosa Palacín vom Institut de Ciència de Materials de Barcelona in Bellaterra. Zusammen mit ihren Kollegen aus Belgien und Japan schaffte es die Akkuforscherin erstmals, auf der Basis von Kalzium eine wiederaufladbare Batterie zu fertigen. Bisher scheiterten Kalziumakkus an einer dünnen Passivierungsschicht auf der negativen Elektrode, durch die Kalziumionen nicht in ausreichender Menge wandern konnten.

Dieses Problem lösten die Wissenschaftler mit einer speziellen Elektrolytmischung aus Ethylen- und Propylenkarbonat. In dieser Flüssigkeit lösten sie verschiedene Kalziumsalze. Mit Kalziumtetrafluoroborat erzielten die Forscher bei einer Akkutemperatur von 100 Grad Celsius die bisher besten Ergebnisse. Über 30 Ladezyklen lang konnten sich die Kalziumionen auf der negativen Elektrode absetzen, winzige Nanoteilchen aus metallischem Kalzium bilden und wieder in den Elektrolyten zurückwandern. Hochaufgelöste Mikroskopbilder und Strukturuntersuchungen mit Röntgenstrahlung bestätigten die Bildung der winzigen Kalzium-Nanoteilchen. Keine durchgängige Passivierungsschicht störte die für einen Akku wichtige Beweglichkeit der Ionen.

Mit diesem ersten Prototyp belegten Palacín und Kollegen, dass auch Kalzium prinzipiell für die Entwicklung von Akkus geeignet ist. Um für Akkus wichtige Werte wie Speicherkapazität oder Ladedauer anzugeben, sei es allerdings noch viel zu früh. Doch weitere Experimente sind vorgesehen, um das Potenzial von günstigen Kalziumakkus auszuloten. Ob dieser Akkutyp in Zukunft eine ernsthafte Konkurrenz für Lithiumionensysteme wird, lässt sich auf Grundlage des aktuellen Entwicklungsstands nicht beurteilen.