Forschungsteam verbessert Protonen-Flow-Batterie: Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus?

Forscher:innen der RMIT University in Australien ist es gelungen, die Energiedichte günstiger und recyclebarer Protonen-Flow-Batterien zu verdreifachen. So könnten diese Batterien eine Alternative zu den derzeit verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien sein.

Umgekehrte Brennstoffzelle

Die derzeit in einem Tesla Model 3 verbauten Lithium-Ionen-Batterien haben eine Energiedichte von etwa 260 Wh/kg. Die von den Forschern entwickelte Protonen-Flow-Batterie kommt auf 245 Wh/kg, allerdings ohne dass in der Batterie Lithium verwendet wird. Dies ist insofern vorteilhaft, als dass uns mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Lithium-Knappheit bevorsteht.

Die Protonen-Flow-Batterie der Forscher:innen nutzt Wasserstoff für die Speicherung von Energie und arbeitet praktisch wie eine umgekehrte Brennstoffzelle. Während des Ladevorgangs nimmt diese Batterie Wasser an und teilt dieses in positiv geladene Wasserstoffionen und Sauerstoff.

Die Protonen-Batterie speichert die Wasserstoff-Protonen direkt in einer festen, porösen Kohlenstoff-Elektrode. Beim Entladevorgang muss die Batterie mit Sauerstoff versorgt werden und produziert Wasser, während Energie freigegeben wird.

Verbesserte Protonenbatterie

Die RMIT-Forscher:innen haben sich vorgenommen, dieses Konzept zu verbessern. Ihre Ideen beinhalteten etwa, das für die Produktion der Elektrode benötigte Kohlenstoffpulver vor der Produktion in einem Vakuum zu trocknen, um ihm Wasser zu entziehen oder die Batteriezelle während des Betriebes auf etwa 70 Grad zu erwärmen.

Als sie ihre Ideen ausprobierten, waren sie selber von dem Ergebniss überrascht. Es gelang ihnen so, die Energiedichte der Batterie beinahe um den Faktor drei zu erhöhen. Bei einer Dichte von 882 Joules pro Gramm erreichten sie etwa 245 Wh/kg, was durchaus konkurrenzfähig zu guten Lithium-Ionen-Batterien ist.

Sicherer Wasserstofftransport

Die Vorteile der Protonen-Batterie sind etwa ihre Sicherheit und Stabilität beim Wasserstoff-Transport im Gegensatz zu dem Transport als Gas unter Hochdruck. Sie sollte zudem eine lange Lebensdauer haben und schnell geladen werden können. Durch den Verzicht auf Lithium und andere exotische Metalle ist sie zudem relativ günstig und kann aus in großer Menge verfügbaren Materialien hergestellt werden.

„Our battery has an energy-per-unit mass already comparable with commercially available lithium-ion batteries, while being much safer and better for the planet in terms of taking less resources out of the ground. Our battery is also potentially capable of very fast charging. The main resource used in our proton battery is carbon, which is abundant, available in all countries and cheap compared to the resources needed for other types of rechargeable battery such as lithium, cobalt and vanadium. There are also no end-of-life environmental challenges with a proton battery, since all components and materials can be rejuvenated, reused or recycled„, so Professor John Andrews von der RMIT University, ein Hauptautor der Studie.

Kommerzialisierung der Batterie geplant

Die Protonen-Batterie habe außerdem weitaus weniger Energieverluste als herkömmliche Wasserstoff-Systeme, sodass sie direkt mit einer Lithium-Batterie vergleichbar wäre. Dennoch handelt es sich mehr um eine Batterie als eine tatsächliche Brennstoffzelle. Denn in Anwendungsfällen wie etwa der Luftfahrt, wo Gewicht ein Faktor ist, wird gasförmiger oder flüssiger Sauerstoff deutlich mehr Energiedichte bereitstellen können.

Das Team plant nun, ihre Batterie zu kommerzialisieren. „We are looking forward to developing this technology further in Melbourne and Italy, in partnership with Eldor Corporation, to produce a prototype battery with a storage capacity that meets the needs of a range of domestic and commercial applications. The aim of this collaboration is to scale up the system from the watt to the kilowatt and ultimately to the megawatt scale„, so Andrews.

via RMIT