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Ein neuer Ansatz für wiederaufladbare Calciumbatterien mit hoher Energie

Ein neuartiges Elektrolyt ist möglicherweise die passende Lösung für Calciumbatterien (Ca), die bei Raumtemperatur wieder aufgeladen werden können. EU-finanzierte Forscher erklären die Funktionsweise.

© Illus_man, Shutterstock

Allem Anschein nach ist Calcium nicht nur gut für die Knochen, sondern auch gut für die Erde. Laut einer Forschungsgruppe könnte der Mineralstoff eine Schlüsselkomponente dafür sein, den steigenden weltweiten Energiebedarf zu decken und gleichzeitig Emissionen zu senken. Wie soll dies gelingen? Durch das aussichtsreiche Potential von Calcium für die Entwicklung effizienter und kosteneffektiver Energiespeicherungstechnologien. Der Markt für Elektrofahrzeuge und für die elektrische Netzspeicherung wächst rasant, was wiederum die Nachfrage nach zuverlässigen und energieeffizienten wiederaufladbaren Batterien steigert. Die aktuellen Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch unter Umständen nicht so sicher, kosteneffizient und nachhaltig, wie wir uns dies wünschen. Wissenschaftler suchen deshalb nach aussichtsreichen Alternativen – eine davon ist ein Batteriesystem auf der Basis von mehrwertigen Metallen wie Calcium. Calciumbatterien könnten die kostengünstige Lösung mit hoher Energie sein, die wir suchen, obgleich deren Entwicklung mit einem Hindernis verbunden ist: ihnen mangelt es an den praktischen Elektrolyten, die für eine effiziente Calciumabscheidung erforderlich sind. Forscher, die das EU-finanzierte Projekt E-MAGIC (European Magnesium Interactive Battery Community) unterstützten, haben eine Entdeckung gemacht, mit der dieses Hindernis überwunden werden könnte. In ihrer Abhandlung, die in der Fachzeitschrift „Energy & Environmental Science“ veröffentlicht wurde, berichteten die Wissenschaftler von einem neuartigen Elektrolyt auf Boratbasis – Calciumtetrakis(hexafluoroisopropyloxy)borat oder Ca[B(hfip)4]2 – das bei Raumtemperatur eine reversible Calciumabscheidung sowie hohe oxidative und ionische Stabilität aufwies. Die Erkenntnisse könnten den Weg für Calciumbatterien mit hoher Energie ebnen, die bei Raumtemperatur wiederaufladbar sind.

Die Aussichten von Calciumbatterien

In der Abhandlung wird die Machbarkeit der Schaffung einer neuen Klasse von Calciumelektrolyten erörtert, die auf Calciumbestandteilen mit schwach koordinierenden Anionen basieren. Die Autoren erklärten hierzu: „Die direkte Synthesemethode für die Formulierung neuer Calciumsalze durch die Einbindung verschiedener fluorierter Alkoxyboratanionen wird als hilfreiches Instrument für die weitere Optimierung der Elektrolyteigenschaften fungieren. Die Ca[B(hfip)4]2-Elektrolyte zeigen fortschrittlichste elektrochemische Eigenschaften in Hinblick auf eine hohe oxidative Stabilität, eine hohe Ionenleitfähigkeit und gute Fähigkeiten für einen langfristigen reversiblen Calciumzyklus.“ Die Entwicklung von Batterietechnologien, die auf mehrwertigen Metallen wie Calcium basieren, könnte eine aussichtsreiche Möglichkeit für die Verbesserung der Energiedichte sein und gleichzeitig die Kosten senken. Mehrwertige Ionen können die Batteriekapazität gegenüber einwertigen Lithium-Ionen- oder Natrium-Ionen-Batterien verdoppeln oder verdreifachen. Darüber hinaus weisen mehrwertige metallische Anoden im Gegensatz zu Lithium oder Natrium das Potential auf eine wesentliche Erhöhung der Energiedichte von Batterien auf. Die oben genannten Eigenschaften sind nicht der einzige Grund dafür, warum Calciumbatterien als attraktive technologische Alternative für die Zeit nach der Lithium-Ion-Batterie angesehen werden können. Eine wachsende Sorge, die auf das schnelle Wachstum des Batterienmarkts zurückgeht, dreht sich um die mittel- und langfristige Verfügbarkeit bestimmter Rohstoffe, u. a. Cobalt, Nickel und Lithium, die in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Calcium hingegen ist das Element, das in der Erdkruste am fünfthäufigsten vorkommt. Außerdem ist es geographisch gleichmäßig verteilt und überdies sicher und nicht toxisch. Neben Calcium untersuchen Wissenschaftler auch Magnesium (Mg) als weiteres vielversprechendes mehrwertiges Metall für die Entwicklung besserer wiederaufladbarer Batterien. Dieses Metall steht im Fokus von Projekt E-MAGIC, das auf die Entwicklung eines innovativen Ansatzes für eine neue Generation umweltfreundlicher, wiederaufladbarer Magnesiumbatterien mit hoher Energiedichte abzielt. Das Projekt verfolgt zudem die Absicht, eine Gemeinschaft für Batterien auf Magnesiumbasis zu stärken, die eine aktive wissenschaftliche Beziehung mit der übrigen Welt pflegt. Weitere Informationen: E-MAGIC-Projektwebsite

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