Veränderung der Elektroden-Oberfläche über mehrere Lade-und Entladezyklen (Redox-Zyklen)
Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich
Das Konzept ist seit den 70er Jahren bekannt, wurde aber lange aufgrund technischer Schwierigkeiten nicht weiter verfolgt. Eisen-Luft-Batterien beziehen ihre Energie aus der Reaktion von Eisen mit Sauerstoff. Das Eisen oxidiert dabei ähnlich wie beim Rosten. Der dafür benötigte Sauerstoff kann direkt aus der Umgebungsluft bezogen werden. Durch diese Materialersparnis weisen Metall-Luft-Batterien hohe Energiedichten auf.
Theoretisch kommt eine Eisen-Luft-Batterie auf eine Energiedichte von über 1.200 Wh/kg. Ein aktueller Lithium-Ionen-Akku kommt ungefähr auf 600 Wh/kg beziehungsweise 350 Wh/kg, wenn man das Gewicht des Zellgehäuses berücksichtigt. Noch besser schneidet der Eisen-Luft-Akku bei der volumetrischen Energiedichte ab. Mit 9.700 Wh/l ist diese fast fünfmal höher als die heutiger Lithium-Ionen-Akkus, die bei 2.000 Wh/l liegen. Ein weiterer Vorteil liegt im häufigen Vorkommen und der leichten Förderung des Metalls. Der Kostenvorteil würde sich direkt auf die Batterie auswirken.
Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben die Forschungen an der Eisen-Luft-Batterie wieder aufgenommen. In Zusammenarbeit mit dem US-amerikanischen Oak Ridge National Laboratory konnten sie mithilfe einer sogenannten elektrochemischen in-situ-Rasterkraftmikroskopie am Center for Nanophase Materials Sciences mit Nanometer-Präzision beobachten, wie sich im laufenden Betrieb Eisenhydroxid-Partikel (Fe(OH)2) an der Eisen-Elektrode bilden.
Eisen-Luft-Batterie bisher nur im Labor erfolgreich
Erstaunlicherweise verringert das aber nicht die Leistung, sondern erhöht die Kapazität nach jedem Lade- und Entladezyklus minimal. "Bis jetzt war man davon ausgegangen, dass sich die Ablagerungen beim Laden wieder zurückbilden. Doch das ist ganz offensichtlich nicht der Fall", erläutert Dr. Hermann Tempel vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9). Zudem lässt nach Aussage der Forscher erstmals ein direkter Zusammenhang zwischen der Schichtbildung an der Elektrodenoberfläche und den elektrochemischen Reaktionen nachweisen.
Die Ergebnisse wurden im Rahmen Projekts "Hochtemperatur- und Energiematerialien" finanziert, das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde. Ein marktreifer Akku ist allerdings noch nicht in Sicht. In Laborversuchen gelingen zwar schon mehrere tausend Zyklen ohne größere Leistungsverluste. Vollständige Eisen-Luft-Batterien, die als Gegenpol mit einer Luft-Elektrode ausgestattet sind, halten bis jetzt aber nur 20 bis 30 Zyklen lang durch.