Die neue „Wasserbatterie“ ist sicherer und billiger als Lithium-Ionen-Batterien

RMIT hat unter der Leitung eines Teams aus internationalen Forschern und Industriepartnern eine neue recycelbare „Wasserbatterie“ entwickelt, die voraussichtlich deutlich sicherer als Lithium-Ionen-Batterien ist.

 

Aufgrund der ausgereiften Technologie dominieren Lithium-Ionen-Energiespeicher den Markt. Allerdings sind sie für die Energiespeicherung im großen Maßstab nur begrenzt geeignet, da es Sicherheitsprobleme mit den darin enthaltenen flüchtigen Stoffen gibt.

 

Der leitende Forscher Ma Tianyi, Professor an der School of Science der RMIT University, sagte, ihre Batterie sei auf dem aufstrebenden Gebiet der Wasserenergiespeicher eine der modernsten und verfüge über Durchbrüche, die die Leistung und Langlebigkeit der Technologie deutlich verbesserten.

 

Professor Ma sagte: „Was wir entworfen und gebaut haben, nennt sich Wasser-Metall-Ionen-Batterie – oder wir können es Wasserbatterie nennen.“

 

Das Team verwendete Wasser anstelle eines organischen Elektrolyten, wodurch der Strom zwischen den positiven und negativen Elektroden fließen kann. Dadurch fängt die Batterie nicht Feuer oder explodiert wie Lithium-Ionen-Batterien.

 

„Aktuelle Technologien zur Energiespeicherung lösen die Herausforderungen der Entsorgung am Ende der Lebensdauer, mit denen Verbraucher, Industrie und Regierungen auf der ganzen Welt konfrontiert sind, indem unsere Batterien sicher zerlegt und die Materialien wiederverwendet oder recycelt werden.“

 

„Die Einfachheit des Herstellungsprozesses von Wasserbatterien macht eine Massenproduktion möglich.“

 

„Wir verwenden Materialien wie Magnesium und Zink, die in der Natur reichlich vorhanden, billig und weniger giftig sind als Alternativen zu anderen Batterietypen. Dadurch werden die Herstellungskosten gesenkt und die Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt verringert.“

 

Energiespeicherung und Lebenszykluspotenzial

 

Das Team hat für zahlreiche von Experten überprüfte Studien eine Reihe kleiner Testbatterien hergestellt, um eine Reihe technischer Herausforderungen anzugehen, darunter die Verbesserung der Energiespeicherkapazität und -lebensdauer.

 

In ihrer neuesten, in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlichten Forschung gelang es ihnen, eine große Herausforderung zu bewältigen: das Wachstum destruktiver Dendriten, scharfer Metallstrukturen, die Kurzschlüsse und andere schwere Fehler verursachen können.

 

Das Team beschichtete betroffene Batteriekomponenten mit einem Metall namens Wismut und seinem Oxid (auch als Rost bekannt) als Schutzschicht gegen Dendritenbildung.

 

„Unsere Batterien halten jetzt länger und sind mit handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt vergleichbar. Damit sind sie ideal für hohe Geschwindigkeiten und intensiven Einsatz in realen Anwendungen.“

 

„Mit beeindruckender Kapazität und verlängerter Lebensdauer verfügen wir nicht nur über eine fortschrittliche Batterietechnologie, sondern haben unser Design auch erfolgreich mit Solarmodulen kombiniert, um eine effiziente und stabile Speicherung erneuerbarer Energien zu demonstrieren.“

 

Die Wasserbatterie des Teams schließt hinsichtlich der Energiedichte die Lücke zur Lithium-Ionen-Technologie, mit dem Ziel, pro Leistungseinheit so wenig Platz wie möglich zu verbrauchen.

 

„Wir haben vor Kurzem eine Magnesium-Ionen-Wasserbatterie mit einer Energiedichte von 75 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) entwickelt, was 30 % der neuesten Tesla-Autobatterie entspricht.“

 

Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Small Structures veröffentlicht.

 

„Der nächste Schritt besteht darin, die Energiedichte von Wasserbatterien durch die Entwicklung neuer Nanomaterialien als Elektrodenmaterialien zu erhöhen.“

 

Professor Ma sagte, dass Magnesium wahrscheinlich das Material der Wahl für zukünftige Wasserbatterien sein wird.

 

„Magnesium-Ionen-Wasserbatterien haben das Potenzial, Bleibatterien kurzfristig (etwa in ein bis drei Jahren) und Lithium-Ionen-Batterien langfristig (in fünf bis zehn Jahren) zu ersetzen.“

 

„Magnesium ist leichter und verfügt über eine höhere potenzielle Energiedichte als alternative Metalle wie Zink und Nickel. Dadurch werden Batterien mit schnelleren Ladezeiten möglich und sie sind besser in der Lage, stromhungrige Geräte und Anwendungen zu unterstützen.“

 

Mögliche Anwendungen

 

Professor Ma sagte, die Batterie des Teams sei gut für Anwendungen im großen Maßstab geeignet und daher ideal für die Netzspeicherung und die Integration erneuerbarer Energien – insbesondere im Hinblick auf die Sicherheit.

 

„Mit dem Fortschritt unserer Technologie könnten auch andere Arten kleiner Energiespeicheranwendungen, wie etwa die Stromversorgung von Privathaushalten und Unterhaltungsgeräten, Realität werden.“

 

Im Rahmen des ARC-Verknüpfungsprojekts arbeitet das Team von Professor Ma mit dem Industriepartner GrapheneX, einem in Sydney ansässigen Technologie-Innovationsunternehmen, an der kontinuierlichen Weiterentwicklung ihrer Wasserbatterie.

 

„Wir arbeiten außerdem eng mit Forschern und Experten führender Universitäten und Forschungseinrichtungen in Australien, den USA, Großbritannien, Japan, Singapur, China und anderswo zusammen.“

 

„Diese Kooperationen erleichtern den Wissensaustausch und den Zugang zu hochmodernen Einrichtungen. Mit der Expertise dieses globalen Teams in verschiedenen Bereichen können wir die damit verbundenen komplexen Herausforderungen aus verschiedenen Perspektiven angehen.“