Billy Hurley, Digital Editorial Manager
Metall-Luft-Batterien sind leichte, kompakte Energiequellen mit hoher Energiedichte, aber sie hatten bisher eine große Einschränkung: Sie korrodieren.
Ein neues Design des Massachusetts Institute of Technology nutzt Öl, um die Korrosion zu reduzieren und die Haltbarkeit von Metall-Luft-Batterien für den Einmalgebrauch zu verlängern.
Der Schlüssel: Öl.
Um den Verfall des Metalls zu verhindern, haben die MIT-Forscher eine Ölbarriere zwischen der Aluminiumelektrode und dem Elektrolyt angebracht – der Flüssigkeit zwischen den beiden Batterieelektroden, die das Aluminium zerfrisst, wenn die Batterie im Standby-Modus ist.
Das Öl wird schnell abgepumpt und durch Elektrolyt ersetzt, sobald die Batterie benutzt wird.
Dadurch wird der Energieverlust auf nur 0.02 Prozent pro Monat – eine mehr als tausendfache Verbesserung, so das MIT-Team.
Die Ergebnisse wurden letzte Woche in der Zeitschrift Science von dem ehemaligen MIT-Absolventen Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Keck-Professor für Energie Yang Shao-Horn und Maschinenbau-Professor Douglas P. Hart.
Wie funktioniert eine Metall-Luft-Batterie genau?
Eine Metall-Luft-Batterie verwendet eine Art Metall (z. B. Aluminium) als Anode, Luft als Kathode und einen flüssigen Elektrolyten.
Im Fall von Aluminium verbindet sich der Luftsauerstoff mit dem Metall, um Aluminiumhydroxid zu bilden, das den Elektrolyseprozess aktiviert und Strom erzeugt.
Da Aluminium Wasser anzieht, bleibt der verbleibende Elektrolyt oft an den Oberflächen der Aluminiumelektroden haften, selbst nachdem der Elektrolyt aus der Zelle abgelassen wurde.
„Die Batterien haben komplexe Strukturen, so dass es viele Ecken gibt, in denen sich der Elektrolyt verfangen kann“, sagt Hopkins.
Die vielen Ecken führen zu vielen Möglichkeiten für Korrosion.
Hopkins und sein Team haben jedoch eine dünne Membranbarriere zwischen die Batterieelektroden gelegt; beide Seiten der Membran sind mit einem flüssigen Elektrolyt gefüllt, wenn die Batterie in Gebrauch ist.
Wenn die Batterie auf Standby geschaltet wird, wird Öl in die Seite gepumpt, die der Aluminiumelektrode am nächsten ist, was die Aluminiumoberfläche vor dem Elektrolyten auf der anderen Seite der Membran schützt.
Aluminium stößt, wenn es in Wasser getaucht wird, Öl von der Oberfläche ab. Wenn die Batterie reaktiviert und Elektrolyt in die Zelle gepumpt wird, verdrängt der Elektrolyt das Öl leicht von der Aluminiumoberfläche, wodurch die Leistung der Batterie wiederhergestellt wird.
Das Ergebnis ist ein Aluminium-Luft-Prototyp mit einer viel längeren Haltbarkeit als bei herkömmlichen Aluminium-Luft-Batterien. Wenn die Batterie wiederholt benutzt und dann für ein bis zwei Tage in den Standby-Modus versetzt wurde, hielt der MIT-Entwurf 24 Tage, während der herkömmliche Entwurf nur drei Tage hielt.
Selbst wenn Öl und ein Pumpsystem in den vergrößerten primären Aluminium-Luft-Batteriepacks enthalten sind, sind sie immer noch fünfmal leichter und doppelt so kompakt wie wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriepacks für Elektrofahrzeuge, berichten die Forscher.
Gegenwärtig werden Aluminium-Luft-Batterien als Reservestromquellen verwendet. Professor Hart sprach mit Tech Briefs darüber, warum er glaubt, dass das neue Design eines Tages seinen Weg über Nischenanwendungen hinaus in Elektrofahrzeuge finden wird.
Tech Briefs: Warum sind Metall-Luft-Batterien wertvoll?
Douglas Hart, Professor für Maschinenbau: Es handelt sich um Batterien mit extrem hoher Energiedichte. Sie gelten als Primärbatterien, das heißt, sie sind nicht wiederaufladbar. In diesem Fall wird das Aluminium verbraucht.
Und Aluminium ist im Gegensatz zu vielen anderen Metallen, die zur Herstellung von Batterien verwendet werden, extrem reichlich vorhanden. Aluminium ist eines der am häufigsten vorkommenden Materialien auf der Erde, und es ist auf der ganzen Welt verteilt, also nicht etwas, das ein Land besitzt.
Tech Briefs: Wo werden Metall-Luft-Batterien derzeit eingesetzt?
Eines der Probleme mit Notstromaggregaten ist, dass es eine Weile dauert, bis sie in Betrieb gehen, und dass sie Dieselkraftstoff verwenden, der schlecht werden kann. Deshalb haben viele Krankenhäuser Aluminium-Luft-Batterien als Reservesysteme; wenn der Strom ausfällt, können sie sehr schnell wieder in Betrieb gehen, zumindest so lange, bis ein zweites Stromsystem in Betrieb geht.
Phinergy , ein Unternehmen in Israel, stellt Aluminium-Luft-Batterien für Reichweitenverlängerer für Autos her. Es ist geplant, sie in die Fahrzeuge einzubauen, so dass die Aluminium-Luft-Batterie einspringt, wenn der Strom aus der Batterie eines Elektrofahrzeugs ausgeht, und die zusätzlichen Kilometer bis zu einer Ladestation überbrückt werden. Es handelt sich im Grunde um ein Batteriesystem, das ausgetauscht werden kann, weil es so viel mehr Energie hat als eine Lithium-Ionen-Batterie.
Tech Briefs: Was sind die Grenzen von Metall-Luft-Batterien?
Prof. Hart: Sobald man sie einschaltet, kann man sie nicht mehr ausschalten. Die einzige Möglichkeit, die Reaktion zu stoppen, ist das Ablassen des Elektrolyts aus dem System. Und wenn man das tut, bleibt jedes Mal ein wenig Elektrolyt auf der Metalloberfläche der Batterie und lässt sie korrodieren. Nach einer Weile kann man den Elektrolyt wieder einfüllen, und die Batterie springt nicht mehr an; die Batterie ist korrodiert, und an der Oberfläche verstopft dieses Nebenprodukt die Batterie. Einige Leute haben herausgefunden, dass man sie mit Wasser spülen kann, aber das Wasser wird mit Elektrolyten verunreinigt.
Tech Briefs: Warum ist die Abschwächung des Korrosionseffekts so wichtig?
Prof. Hart: Man würde diese Batterien gerne in etwas wie einem Auto verwenden; man möchte sie in der Einfahrt parken, sie eine Woche lang dort lassen, zurückkommen und erwarten, dass sie wieder anspringen. Diese Batterien fressen sich langsam auf, so dass man einen Großteil der Energie verliert. Die Energiedichte wird dann sinnlos, weil sie sich selbst auffrisst.
Man hat sich mit allen möglichen Möglichkeiten befasst, diesen Korrosionsprozess abzumildern. Man hat nach besseren chemischen Verfahren für die Oberfläche von Aluminium und Legierungen gesucht. Wir haben einen sehr einfachen Ansatz entdeckt: Anstatt mit Wasser zu spülen, ersetzen wir den Elektrolyten einfach durch Öl.
Tech Briefs: Wie war die Reaktion auf diese Idee?
Prof. Hart: Die erste Reaktion, die jeder hatte, war: „Willst du mich verarschen? Das Öl wird alles verstopfen und zerstören.“ Es stellte sich heraus, dass das Aluminium in Gegenwart des Elektrolyten lieber mit dem Elektrolyten als mit dem Öl arbeitet. Das Öl macht also nichts kaputt. Es verdrängt einfach den Elektrolyten, unterbricht die Reaktion (weil es nicht leitend ist), und sobald man den Elektrolyten wieder hinzufügt, läuft die Reaktion sofort wieder an. Aber noch besser ist, dass wir es immer wieder mit demselben Öl spülen können, ohne dass das System verunreinigt wird.
Tech Briefs: Lässt sich dieses Merkmal leicht in die Konstruktion integrieren?
Prof. Hart: Die Membran ist eigentlich sehr einfach einzubauen. Sie kann sogar auf der Kathode selbst angebracht werden, bevor sie installiert wird. Es ist eine sehr einfache Modifikation der bestehenden Batterietechnologie. Es handelt sich um eine dünne Membran zum Schutz der Kathode, denn die Kathode ist ein Material mit hohem Oberflächenkontakt. Die Membran sorgt für eine langfristige Langlebigkeit des Kathodenmaterials. Sie ermöglicht auch die Verwendung von Ölen, die nicht so stabil sind wie andere Öle.
Tech Briefs: Für welche Arten von Anwendungen wird dieses neue Design verwendet?
Prof. Hart: Reichweitenverlängerer für Autos sind sicherlich eine gute Idee. Ein Grund, warum die Leute Angst haben, ein Elektroauto zu kaufen, ist, dass sie Angst haben, dass ihnen der Strom ausgeht. Dies würde vor allem als Reservesystem dienen, um die Angst zu überwinden, nicht genug Strom zu haben, um das nächste Ladesystem zu erreichen.
Tech Briefs: Werden sie immer noch als Reservestromquellen verwendet?
Prof. Hart: Im Moment haben viele Leute kleine Generatoren in ihren Häusern, aber diese produzieren Kohlenmonoxid, so dass sie sehr gefährlich zu benutzen sind. Aluminium-Luft-Batterien sind viel sicherer als ein Notstromaggregat, das man im Keller stehen hat. Wenn der Strom ausfällt, können Sie ihn einschalten. Wenn der Strom wieder da ist, kann man ihn wieder ausschalten. Und eine Aluminium-Luft-Batterie eignet sich hervorragend für Krankenhäuser und Notstromsysteme für Datenserver.
Tech Briefs: Sind Metall-Luft-Batterien im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine brauchbare Option?
Prof. Hart: Wenn man unser Verkehrssystem auf Elektrofahrzeuge umstellen wollte, würde man auf Lithium-Ionen-Batterien verweisen; Tesla verwendet sicherlich Lithium-Ionen-Batterien. Aber Lithium-Ionen-Batterien benötigen Lithium, das sich im Besitz einer Teilmenge der Länder der Welt befindet. Das macht die Situation politisch schwierig.
Das Schlimmste ist, dass es einfach nicht genug Kobalt gibt, um genügend Batterien für alle Autos auf der Welt herzustellen. Sie müssen eine Alternative zu Kobalt finden. Einige Experten sagen, dass man Kobalt durch Nickel ersetzen kann. Wir müssen ein alternatives Batteriesystem finden, um Dinge wie Speichersysteme praktikabel zu machen, weil wir einfach nicht genug Kobalt und Nickel haben.
Aluminium ist eine großartige Energiequelle für jede Art von Transportsystem. Ich könnte mir vorstellen, dass es in Flugzeugen und an anderen Orten eingesetzt wird, an denen Standardbatterien verwendet werden könnten. Auch diese kann man nicht wieder aufladen. Sie sind eher ein Brennstoff als ein reiner Energiespeicher.
Tech Briefs: Wie geht es für Ihr Team mit dieser Forschung weiter?
Prof. Hart: Ich hoffe, dass sie von einem der kommerziellen Batteriehersteller aufgegriffen wird. Ich glaube, dass es ein großes Potenzial hat, und ich würde gerne sehen, wie es eingesetzt wird. Wir haben in der Forschung im Labor alles gezeigt, was wir brauchen, und ich denke, dass es jetzt in ein echtes System implementiert und für die kommerzielle Anwendung erprobt werden muss.
Tech Briefs: Was haben die Ergebnisse gezeigt? Wie gut ist die Leistung der Batterie?
Prof. Hart: Phänomenal. Brandon konnte zeigen, dass man sie während der gesamten Lebensdauer der Batterie ein- und ausschalten kann und dass es im Gegensatz zu früheren Systemen fast keine Verschlechterung gibt. Im Wesentlichen hat diese Arbeit dazu geführt, dass sie sich wie eine normale Batterie abschalten kann, so dass sie nicht in der Einfahrt liegt und korrodiert.
Das bedeutet, dass man z. B. in einem Krankenhaus, wenn der Strom ausfällt, das Ding wirklich einschalten kann, und wenn man nicht die gesamte Energie in der Batterie verbraucht, kann man die Batterie abschalten und sie beim nächsten Mal wieder verwenden. Normalerweise gibt es einen Stromausfall, der ein paar Minuten dauert, dann geht der Strom wieder an. Sie haben diese sehr teure Batterie verbraucht, denn während sie dort liegt, korrodiert sie. Jetzt können Sie sie nach Belieben ein- und ausschalten.