Ladeprozesse in Eisen-Luft-Batterien

Eisen-Luft-Batterien versprechen eine deutlich höhere Energie­dichte als Lithium-Ionen-Batterien. Ihr Haupt­bestandteil, Eisen, ist zudem ein häufig vor­kommendes und somit günstiges Material. Wissen­schaftler des Forschungs­zentrums Jülich sind eine der treibenden Kräfte bei der Neuer­forschung des seit den 1970er Jahren bekannten Konzepts. In Zusammen­arbeit mit dem US-ameri­kanischen Oak Ridge National Labora­tory gelang es ihnen, mit Nano­meter-Präzision zu beobachten, wie sich im laufenden Betrieb Abla­gerungen an der Eisen-Elektrode bilden. Ein vertieftes Verständnis der Lade- und Entlade­reaktionen gilt als Schlüssel für die Weiter­entwicklung bis zur Marktreife.

In-situ-Rasterkraft-Mikroskopie ermöglicht Studien, wie sich die Elektroden-Oberfläche über mehrere Ladezyklen hinweg verändert. (Bild: H. Weinrich, FZJ)

Unter anderem wegen unüber­windbarer technischer Schwierig­keiten war die Forschung zu Metall-Luft-Batterien in den 1980er Jahren für lange Zeit ins Stocken geraten. In den letzten Jahren stieg das Forschungs­interesse jedoch rapide wieder an. Eisen-Luft-Batterien beziehen Energie aus der Reaktion von Eisen mit Sauer­stoff. Das Eisen oxidiert dabei ganz ähnlich wie beim Rosten. Der dafür benötigte Sauer­stoff kann aus der Umgebungs­luft bezogen werden und muss nicht in der Batterie vorgehalten werden. Diese Material­ersparnis ist der Grund, warum Metall-Luft-Batterien enorme Energie­dichten erzielen.

Für Eisen-Luft-Batterien wird eine theo­retische Energie­dichte von über 1.200 Wh/kg vorher­gesagt. Zum Vergleich: Aktuelle Lithium-Ionen-Akkus kommen auf etwa 600 Wh/kg bzw. 350 Wh/kg, wenn man das Gewicht des Zellge­häuses mit berück­sichtigt. Lithium-Luft-Batterien, die technisch noch deutlich schwieriger und aufwen­diger zu rea­lisieren sind, können sogar bis zu 11.400 Wh/kg erreichen. In Bezug auf die volu­metrische Energie­dichte schneiden Eisen-Luft-Akkus sogar noch besser ab. Mit 9.700 Wh/l ist diese fast fünfmal höher als die heutiger Lithium-Ionen-Akkus (2.000 Wh/l). Selbst Lithium-Luft-Batterien erreichen hier nur 6.000 Wh/l. Eisen-Luft-Batterien sind folglich insbe­sondere für viel­fältige mobile Anwendungen interes­sant, bei denen der Platz­bedarf eine große Rolle spielt.

„Wir konzen­trieren uns mit unserer Forschung ganz bewusst auf Batterie­typen aus Materialien, die sehr häufig in der Erdkruste vorkommen und in großer Menge gefördert werden“, erklärt Instituts­leiter Rüdiger-A. Eichel. „Versorgungs­engpässe sind so nicht zu erwarten. Damit verbunden ist zudem ein Kosten­vorteil, der sich direkt auf die Batterie übertragen lässt – insbe­sondere für groß­skalige Anwen­dungen, etwa für stationäre Anwen­dungen zur Stabi­lisierung des Strom­netzes oder die Elektro­mobilität.“ Die nun gewon­nenen Erkennt­nisse schaffen eine neue Basis, um die Eigen­schaften der Batterie gezielt zu verbessern. Mittels elektro­chemischer in-situ-Rasterkraft­mikroskopie konnten sie mit Nano­meter-Präzision beobachten, wie sich Abla­gerungen aus Eisen­hydroxid-Partikeln an der Eisen­elektrode unter Beding­ungen bilden, wie sie auch beim Laden und Entladen der Batterie vor­herrschen.

„Der hohe pH-Wert von 13,7 stellt schon eine grenz­wertige Bedingung für das Instrument dar“, erläutert Henning Weinrich vom Jülicher Institut für Energie- und Klima­forschung. „In Oak Ridge waren wir die ersten, die ein derar­tiges Experiment unter realis­tischen Bedin­gungen durch­führen konnten“, so Weinrich, der für die Messungen drei Monate lang in die USA gereist war. Die Leistung der Batterie verringert sich durch die Abla­gerungen nicht. Im Gegenteil: Weil die nano­poröse Schicht die aktive Ober­fläche der Elektrode vergrößert, trägt sie dazu bei, dass sich die Kapazität nach jedem Lade- und Entlade­zyklus ein klein wenig erhöht. Durch die Unter­suchungen erhalten die Forscher von diesem Schicht­wachstum nun erstmals ein voll­ständiges Bild. „Bis jetzt war man davon ausge­gangen, dass sich die Abla­gerungen beim Laden wieder zurück­bilden. Doch das ist ganz offen­sichtlich nicht der Fall“, erläutert Hermann Tempel.

Zudem lässt sich nun erstmals ein direkter Zusammen­hang zwischen der Schicht­bildung an der Elektroden­oberfläche und den elektro­chemischen Reaktionen nachweisen. Bis zur Markt­reife ist es aber noch ein weiter Weg. Elek­troden aus Eisen lassen sich isoliert in Labor­versuchen zwar schon ohne größere Leistungs­verluste über mehrere Tausend Zyklen hinweg betreiben. Voll­ständige Eisen-Luft-Batterien, die als Gegenpol mit einer Luft-Elektrode ausge­stattet sind, halten bis jetzt aber nur zwanzig bis dreißig Zyklen lang durch. (Quelle: FZJ /pro-physik.de)

Referenz: H. Weinrich et al.: Understanding the nanoscale redox-behavior of iron-anodes for rechargeable iron-air batteries, Nano Energy 41, 706 /2017); DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.023

Link: Inst. für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie, FZ Jülich

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