Mehr als ein Jahrhundert nach ihrer Erfindung erlebt eine Batterie von Thomas Edison ein überraschendes Comeback. Forscher der University of California haben die auf Nickel und Eisen basierende Idee mit moderner Nanotechnologie neu interpretiert. Dabei ist ein Energiespeicher entstanden, der sich in Sekunden laden lässt und bis zu 30.000 Ladezyklen überstehen könnte.
Die Idee, elektrische Energie zu speichern, ist deutlich älter als aktuelle Diskussionen um Erneuerbare Energien und Großspeicher vermuten lassen. Bereits seit dem 19. Jahrhundert entwickelten Erfinder und Wissenschaftler erste praktikable Batterien und Energiespeicher.
So auch Thomas Edison, der Anfang des 20. Jahrhunderts eine robuste und langlebige Nickel-Eisen-Batterie vorstellte. Seitdem hat sich auf der Batteriemarkt zwar stark weiterentwickelt, doch das Grundprinzip elektrochemischer Energiespeicherung ist im Kern gleich geblieben.
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Forscher der University of California (UCLA) haben sich genau deshalb das Prinzip der Edison-Batterie noch einmal vorgenommen und modernisiert. Mit der Hilfe von Nanotechnologie konnten sie so eine Nickel-Eisen-Batterie entwickeln, die zehntausende Ladezyklen überstehen könnte.
Neue Nickel-Eisen-Batterie nutzt altes Prinzip von Thomas Edison
Die heute viel diskutierte Elektromobilität wirkt oft wie eine Errungenschaft des 21. Jahrhunderts. Doch tatsächlich reichen ihre Wurzeln viel weiter zurück. So waren um das Jahr 1900 Elektroautos in den USA zeitweise sogar weiter verbreitet als Fahrzeuge mit Benzinmotor.
Bereits damals arbeitete Thomas Edison an der Verbesserung der Batterietechnologie für die Elektromobilität. Mit seiner Nickel-Eisen-Batterie wollte er eine Reichweite von 160 Kilometern möglich machen. Die Ladezeit der Batterie sollte sieben Stunden betragen.
Doch die schnell voranschreitenden Entwicklungen beim Verbrennungsmotor verdrängten die Idee Elektromobilität. Inzwischen ist sie allerdings wieder ins Zentrum der Aufmerksamkeit gerückt, da leistungsfähige Batterien als Schlüsseltechnologie für eine klimafreundlichere Mobilität gelten.
In einem internationalen Forschungsprojekt unter der Leitung der UCLA haben Forscher nun den Ansatz von Edison wieder aufgegriffen und eine Nickel-Eisen-Batterietechnologie, die sich ideal zur Speicherung von in Solarparks erzeugter Energie eignen könnte. Die Arbeit wurde im Fachjournal Small veröffentlicht.
Denn ihren Prototypen konnten die Forscher in Sekundenschnelle aufladen. Dabei hielt dieser mehr als 12.000 Lade- und Entladezyklen stand, was in der Realität täglichen Ladevorgängen von mehr als 30 Jahren entsprechen würde.
Nickel-Eisen-Batterie verwertet Nebenprodukt aus Rindfleischproduktion
Für ihre Entwicklung haben die Forscher winzige Metallcluster entwickelt. Diese werden mit der Hilfe von Proteinen strukturiert. Das dabei verwendete Verfahren ist laut der UCLA „verblüffend einfach und kostengünstig“.
„Man denkt oft, moderne Nanotechnologie sei kompliziert und hochtechnologisch, aber unser Ansatz ist überraschend einfach und unkompliziert“, erklärt Co-Autor Maher El-Kady vom Institut für Chemie und Biochemie der UCLA. „Wir mischen einfach gängige Zutaten, wenden schonende Erhitzungsschritte an und verwenden weit verbreitete Rohstoffe.“
Denn bei der Entwicklung verwendeten die Forscher unter anderem Proteine, die als Nebenprodukte der Rindfleischproduktion anfallen. Sie orientierten sich an dem Prozess, durch den Tiere Knochen und Schalentiere ihre harten Außenschalen bilden.
Die Forscher versuchten, diesen Mechanismus nachzuahmen, um ihre winzigen Nickel- oder Eisencluster herzustellen. „Wir haben uns von der Art und Weise inspirieren lassen, wie die Natur diese Art von Materialien ablagert“, so Co-Autor Ric Kaner, Professor für Chemie und Biochemie am UCLA. „Die gezielte Ablagerung von Mineralien führt zu Knochen, die stark und gleichzeitig flexibel genug sind, um nicht zu brechen. Das Verfahren ist fast genauso wichtig wie das verwendete Material, und Proteine steuern die Anordnung der Mineralien.“
So entstanden mit der Hilfe der Proteine aus der Rindfleischproduktion Moleküle, die als Vorlage für das Wachstum von Nickelclustern für positive und Eisenclustern für negative Elektroden dienten. Die Größe der Metallcluster wies am Ende weniger als fünf Nanometer auf. Zum Vergleich: Um die Dicke eines menschlichen Haares zu erreichen, wären etwa 10.000 bis 20.000 Cluster nötig.
„Bei diesen extrem kleinen Nanoclustern vergrößert sich die Oberfläche dramatisch“, erklärt El-Kady. „Das ist ein enormer Vorteil für Batterien. Wenn die Partikel so winzig sind, kann fast jedes einzelne Atom an der Reaktion teilnehmen. Dadurch erfolgen Lade- und Entladevorgänge viel schneller, es lässt sich mehr Ladung speichern, und die gesamte Batterie arbeitet einfach effizienter.“
Sind Nickel-Eisen-Batterien die neuen Lithium-Ionen-Batterien?
Trotz ihrer Schnellladefähigkeit und Lebensdauer können die neuartigen Nickel-Eisen-Batterien noch nicht mit den Speicherkapazitäten der heute gängigen Lithium-Ionen-Batterien mithalten. Doch die Eigenschaften der Entwicklung könnten künftig in Solarparks als Großspeicher zum Einsatz kommen.
„Da diese Technologie die Lebensdauer von Batterien auf Jahrzehnte verlängern könnte, wäre sie ideal zur Speicherung erneuerbarer Energien oder zur schnellen Übernahme der Stromversorgung bei Stromausfällen“, erklärt El-Kady. „Dadurch würden die Sorgen um die steigenden Infrastrukturkosten beseitigt.“
Die Wissenschaftler forschen nun weiter daran, wie sich ihre Entwicklung bei der Nutzung anderer Metalle auswirkt. Außerdem suchen sie nach Alternativen zu Rinderproteinen. Hierfür könnten eventuell natürliche Polymere zum Einsatz kommen, die häufiger vorkommen und daher kostengünstiger und einfacher für die zukünftige Produktion zu skalieren sind.
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