Metall-Luft-Batterien

In Metall-Luft-Batterien wird die elektrische Energie aus der chemischen Reaktion von Metallen mit Sauerstoff freigesetzt. Sie nehmen unter den Batterien eine Sonderstellung ein, da einer der beiden Reaktionspartner (in diesem Fall der Sauerstoff) über eine spezielle Elektrode aus der Umgebungsluft gewonnen wird und nicht in der Batterie vorgehalten werden muss. Daher lassen sich mit diesen Systemen zumindest theoretisch deutlich höhere Energiedichten realisieren als mit gängigen Batterietypen.

Es gibt Typen, die bereits eingesetzt werden, wie Zink-Luft-Batterien für Hörgeräte. Diese sind aber nicht wieder aufladbar. Daher wird derzeit weltweit versucht, unterschiedliche sekundäre (also wieder aufladbare) Metall-Luft-Batterien zu entwickeln. Diese unterscheiden sich hinsichtlich des eingesetzten Metalls und damit verbunden auch bezüglich der erreichbaren Energiedichte und vieler anderer Parameter. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die noch sehr geringen Lebensdauern dieser Batterietypen zu erhöhen, bei denen die komplexen chemischen Lade- und Entladevorgänge noch nicht ausreichend verstanden und beherrscht werden. So bedarf es unter anderem noch wesentlich effizienterer und zuverlässigerer Elektroden, an denen der Luftsauerstoff sowohl reduziert als auch wieder freigesetzt werden kann.

Die Luft enthält neben Sauerstoff viele andere Bestandteile, die sich teilweise negativ auf die Lebensdauer der Batterien auswirken. Statt die Luft mit zusätzlicher Technik zu reinigen, kann man der Batterie auch direkt reinen Sauerstoff zuführen – etwa aus Gasflaschen. In diesem Fall spricht man von Metall-Sauerstoff-Batterien.

Besonders an der Realisierung von Lithium-Luft-Batterien wird intensiv geforscht. Da Lithium von allen Metallen das höchste elektrochemische Potential aufweist, bieten diese Batterien von allen Metall-Luft-Systemen die mit Abstand höchste Energiedichte, die man theoretisch erreichen kann. Man hofft, im Vergleich zum Stand der Technik auch in der Praxis etwa zehnfach höhere Energiedichten zu erzielen – also bei gleicher Kapazität zehnmal leichtere Batterien zu realisieren.

Allerdings könnte sich auch herausstellen, dass so viel zusätzliche Technik und Elektronik benötigt wird (etwa zur Reinigung der Luft), dass diese die Batterie so schwer und groß werden lassen, dass die Batterien kaum noch Vorteile zu weiterentwickelten Lithium-Ionen-Batterien haben. Große Herausforderungen liegen derzeit auch darin, eine akzeptable Lebensdauer zu erzielen und die Spannungsverluste beim Laden und Entladen zu reduzieren.

Eisen ist ein Element, das sehr häufig in der Erdkruste vorkommt und in großer Menge gefördert werden kann. Versorgungsengpässe sind deshalb nicht zu erwarten, sondern vielmehr ein Kostenvorteil, der sich direkt auf die Batterie übertragen lässt. In der Theorie könnten Eisen-Luft-Batterien maximale gravimetrische Energiedichten von mehr als 1.200 Wattstunden pro Kilogramm erreichen und sehr kompakt gebaut werden. Mit theoretischen volumetrischen Energiedichten von 9.700 Wattstunden pro Liter könnten diese Energiespeicher bis zu fünfmal kompakter ausfallen als gängige Lithium-Ionen-Batterien.

Der Weg bis zu einer möglichen Marktreife ist allerdings noch weit. Elektroden aus Eisen sind sehr robust und lassen sich im Labor in Halbzellen isoliert schon ohne größere Leistungsverluste über mehrere Tausend Zyklen betreiben. Zudem sind sie unempfindlich gegen Überladung, Teil- und Tiefentladung. Vollständige Eisen-Luft-Batterien mit einer Luft-Elektrode als Gegenpol haben aber noch stark begrenzte Lebensdauern von weniger als 100 Zyklen. Und auch der Wirkungsgrad von weniger als 50 Prozent ist derzeit ein starker Nachteil gegenüber anderen Batterietechnologien. Das liegt zum einen an der Wasserstoffentwicklung an der Eisenelektrode, zum anderen an der hohen Überspannung an der Luft-Elektrode.

Primäre – also nicht wiederaufladbare – Zink-Luft-Batterien sind weltweit als Standardbatterie beispielsweise in Hörgeräten etabliert, da sie kostengünstig, umweltverträglich und vor allem sehr kompakt sind, weil sie den Sauerstoff aus der Umgebungsluft zur Energiegewinnung nutzen. Trotzdem stellt die Entwicklung sekundärer – also wiederaufladbarer – Systeme Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor große Herausforderungen. Das hat vor allem drei Gründe: Die Zinkelektrode verändert beim Be- und Entladen ihre Struktur und ihr Volumen, was die Lebensdauer einschränkt und zur Zerstörung der Batterie führt. Auch die Sauerstoff-Elektrode ist bisher nicht stabil und zudem auch nicht besonders leistungsfähig. Schließlich sind Energie- und Leistungsdichte sowie der Wirkungsgrad für eine praktische Anwendung noch zu niedrig.