Nicole Weinhold
Batterien auf Basis von Calcium könnten laut Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als Energiespeicher die Lithium-Ionen-Technologie abzulösen, weil der Rohstoff Calcium nicht so selten und problematisch ist wie bisherige Batterierohstoffe - etwa Kobald, Lithium oder Nickel. Mit den bislang verfügbaren Elektrolyten gelang es allerdings nicht, Calciumbatterien bei Zimmertemperatur aufzuladen. Forscherinnen und Forscher des KIT haben nun in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science eine Elektrolytklasse vorgestellt, die das erstmals möglich macht.
Sicher, ungiftig und kostengünstig
Lithium-Ionen-Batterien kämen von ihrer Performance und manchen Rohstoffen mittelfristig an ihre Grenzen, Maximilian Fichtner vom KIT, Direktor der Forschungsplattform CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe): "Wir verfügen nur über begrenzte Vorkommen von Rohstoffen wie Kobalt, Nickel und Lithium, die für die Herstellung notwendig sind.“ Stattdessen setzen er und sein Team auf alternative Batterietechnologien. Diese basieren auf Rohstoffen, die auf der Erde viel häufiger vorkommen. Das Element Calcium hält er dabei für einen vielversprechenden Kandidaten, da Calcium etwa im Gegensatz zu Lithium zwei Elektronen pro Atom ab- und aufnehmen kann und weil es eine ähnliche Spannung liefert wie Lithium: „Calcium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste. Es ist gleichmäßig auf der Erde verfügbar und bietet den Vorteil sicher, ungiftig und kostengünstig zu sein.“
Neues Elektrolyt sorgt für Schnellladefähigkeit
Doch bei der Entwicklungsarbeit zur Calciumbatterie gab es bislang eine große Hürde: Im Gegensatz zur etablierten Lithium-Ionen-Technologie oder auch der neueren Natrium- oder der Magnesium-Technologie existierten bislang keine praktikablen Elektrolyte, um wiederaufladbare Calciumbatterien herzustellen. Erst seit wenigen Jahren würden überhaupt experimentelle Elektrolyte und damit Prototypen der Calciumbatterie existieren, so Zhenyou Li, Erstautor der Studie und Zhirong Zhao-Karger, Projektleiterin. „Diese ermöglichen einen Ladevorgang aber erst bei Temperaturen jenseits der 75 Grad Celsius und sind dabei noch anfällig für unerwünschte Nebenreaktionen.“
Nun gelang es den Forschern, eine Klasse neuer Elektrolyte auf Basis spezieller, organischer Calciumsalze zu synthetisieren, mit denen Ladevorgänge auch bei Zimmertemperatur möglich sind. Am Beispiel des neuen Elektrolyts Calciumtetrakis[hexafluoroisopropyloxy]borat konnten die Forscher nun nachweisen, dass Calciumbatterien mit hoher Energiedichte, Speicherkapazität und Schnellladefähigkeit möglich sind.
