Forscher lösen Dendriten-Problem in Kalium-Akkus mit Hitze

Von Mobiltelefonen über Solarenergie bis hin zu Elektroautos ist die Menschheit zunehmend auf Batterien angewiesen. Mit der steigenden Nachfrage nach sicheren, effizienten und leistungsstarken Energiespeichern steigt auch die Forderung nach vielversprechenden Alternativen zu wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien, die in diesem Bereich die aktuell dominierende Technologie darstellen. Ansätze für neuen Batterietechnologien gibt es etliche, beinahe im Wochenrhythmus stellen Wissenschaftler ihre neuesten Erkenntnisse vor. Und wie immer gilt auch für diese News: Sie darf nicht überbewertet werden. Forscher berichten von Fortschritten auf Laborebene. Bis es eine neue Technologie tatsächlich in eine Anwendung für Endverbraucher schafft, sind unzählige weitere Schritte notwendig.

In einer Studie, die in der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, zeigen Forscher des Rensselaer Polytechnic Institute, wie sie eine anhaltende und knifflige Herausforderung in Akkus, die als Dendriten bekannt ist, bewältigen können. So wollen die Wissenschaftler eine Metallbatterie herstellen können, die fast genauso gut funktioniert wie eine aktuelle Lithium-Ionen-Batterie, aber auf Kalium aufbaut – ein viel häufigeres und kostengünstigeres Element.

Batterien enthalten zwei Elektroden – eine Kathode an einem Ende und eine Anode am anderen. In eine Lithium-Ionen-Batterie befindet sich normalerweise eine Kathode aus Lithium-Kobaltoxid und eine Anode aus Graphit. Während des Ladens und Entladens fließen Lithiumionen zwischen diesen beiden Elektroden hin und her.

Würden die Forscher in diesem Aufbau einfach Lithiumkobaltoxid durch Kaliumkobaltoxid ersetzen, würde die Leistung der Batterie sinken. Kalium ist ein größeres und schwereres Element und daher weniger energiedicht. Stattdessen wollte das Rensselaer-Team die Leistung von Kalium steigern, indem es auch die Graphitanode durch Kaliummetall ersetzte. „In Bezug auf die Leistung könnte dies mit einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie mithalten“, sagte Nikhil Koratkar, Stiftungsprofessor für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt und Nukleartechnik bei Rensselaer und Hauptautor des Papiers.

Metallbatterien haben sich als vielversprechend erwiesen, wurden jedoch traditionell von der Ansammlung von Metallablagerungen, sogenannten Dendriten, auf der Anode geplagt. Dendriten entstehen aufgrund einer ungleichmäßigen Ablagerung von Kaliummetall, wenn die Batterie wiederholten Lade- und Entladezyklen unterzogen wird. Mit der Zeit, erklärte Koratkar, werden die Konglomerate aus Kaliummetall lang und verzweigt, ähnlich wie die Äste eines Baumes. Werden sie zu lang, durchbohren sie schließlich den Isoliermembrantrenner, welcher verhindert, dass sich die Elektroden berühren und die Batterie kurzschließen.

„Mit Kalium bin ich hoffnungsvoller“

In ihrem Artikel erklären Koratkar und sein Team, zu denen Prateek Hundekar, ein Doktorand bei Rensselaer, und Forscher der University of Maryland, darunter Chunsheng Wang, Professor für Chemieingenieurwesen und Biomolekulartechnologie, gehörten, wie ihre Lösung für dieses Problem funktioniert und wie der Weg für den praktischen Gebrauch in Verbraucheranwendungen aussehen kann. Durch den Betrieb der Batterie mit einer relativ hohen Lade- und Entladerate können sie die Temperatur im Inneren der Batterie auf kontrollierte Weise erhöhen und die Dendriten dazu ermutigen, sich von der Anode quasi selbst zu heilen. Koratkar vergleicht diesen Selbstheilungsprozess mit dem, was nach dem Ende eines Sturms mit einem Schneehaufen passiert. Der Wind und die Sonne helfen dabei, die Flocken vom Schneehaufen zu entfernen, seine Größe zu verringern und ihn schließlich ganz zu schmelzen.

In ähnlicher Weise hilft der Temperaturanstieg in der Batterie zwar nicht dabei, das Kaliummetall zu schmelzen, es hilft jedoch, die Oberflächendiffusion zu aktivieren, sodass sich die Kaliumatome seitlich von dem von ihnen erzeugten „Haufen“ entfernen und den Dendriten effektiv glätten. „Bei diesem Ansatz besteht die Idee darin, dass nachts oder wenn die Batterie nicht verwendet wird, ein Batteriemanagementsystem eingreift und diese lokale Wärme anwendet, um die Dendriten selbst zu heilen“, sagt Koratkar.

Koratkar und sein Team demonstrierten zuvor eine ähnliche Methode der Selbstheilung mit Lithiummetallbatterien, stellten jedoch fest, dass die Kaliummetallbatterie viel weniger Wärme benötigte, um den Selbstheilungsprozess abzuschließen. Diese vielversprechende Erkenntnis bedeutet laut Koratkar, dass eine Kaliummetallbatterie effizienter, sicherer und praktischer sein könnte. „Ich möchte einen Paradigmenwechsel zu Metallbatterien sehen“, sagt Koratkar. Metallbatterien seien „der effizienteste Weg, eine Batterie zu bauen. Aufgrund dieses Dendritenproblems waren sie jedoch nicht realisierbar. Mit Kalium bin ich hoffnungsvoller“, so der Wissenschaftler.

Quelle: Science News — Potassium metal battery emerges as a rival to lithium-ion technology