Ist eine nicht-metallische Batterie möglich?

Die Forscher hoffen, dass dieser alternative Elektrolyt zum Ersatz von Lithiumbatterien führen könnte.

Es ist schwer, sich eine Batterie ohne Metall vorzustellen, vor allem angesichts der zunehmenden Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien. Aber genau das will ein Forscher der Louisiana State University Mechanical Engineering (LSU ME) entwickeln. Dank eines Zuschusses des Board of Regents arbeitet Ying Wang, Associate Professor an der LSU ME, an einer wiederaufladbaren Batterie ohne Metall, die Lithiumbatterien auf der Erde und im Weltraum ersetzen soll.

"Lithium-Ionen-Batterien haben eine gute Leistung, aber mehrere ernsthafte Probleme", erklärte Wang in einer Pressemitteilung. "Sie sind nicht nachhaltig und sehr teuer, und die USA haben keine großen Lithiumreserven. Außerdem wird bei der Gewinnung von Lithium aus Minen eine enorme Menge an Wasser verbraucht, was schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt hat."

Als Alternative zum Elektrolyten in einer Lithiumbatterie haben Wang und ihr Team von LSU ME-Studenten einen Elektrolyten auf Wasserbasis entwickelt. "Lithium ist kein stabiles Metall, und der organische Elektrolyt in einer Lithium-Ionen-Batterie könnte entflammbar sein", erklärte Wang. "Es gab schon Explosionen von Lithiumbatterien in den Nachrichten. Das ist ein immer wiederkehrendes Problem, denn wenn Lithiumbatterien versagen oder überhitzen, setzen sie brennbare, giftige Gase frei, die ein sich schnell ausbreitendes Feuer entfachen können. Meine Gruppe entwickelt eine Ammonium-Ionen-Batterie, die viel sicherer, leichter und kostengünstiger ist und biologisch abbaubar sein kann. Sie kann auch dünn und flexibel gemacht werden, so dass sie sich drehen und biegen lässt

Die Ammonium-Ionen-Batterie verwendet einen wässrigen Elektrolyten, der aus hochkonzentrierten Salzen besteht, die den Gefrierpunkt für den Betrieb bei Minusgraden in Weltraumsystemen deutlich herabsetzen, heißt es in der Pressemitteilung. "Der Anti-Gefrier-Elektrolyt kann einfach durch Auflösen von Ammoniumsalz in Wasser hergestellt werden. Die Salzkonzentration wird variiert und optimiert, um den niedrigsten Gefrierpunkt, die maximale ionische Leitfähigkeit und die elektrochemische Leistung der Batterie zu erreichen", heißt es in der Mitteilung.

Könnte diese Idee die Lithium-Ionen-Batterie verdrängen, deren Konzepte bereits vor 50 Jahren entwickelt wurden?

Wang ist zuversichtlich, dass die Ammonium-Ionen-Batterie im Weltraum eingesetzt werden könnte, und das Team hat bereits Kontakt mit NASA-Mitarbeitern aufgenommen. Die Batterie wird unter extremen Bedingungen getestet, wie es von der NASA verlangt wird, berichtet LSU ME.

"Die zukünftigen Weltraumforschungssysteme der NASA benötigen sichere Batterien mit hoher Leistungsdichte und hoher Energiedichte. Obwohl Lithium-Ionen-Akkus häufig in Raumfahrtsystemen verwendet werden, sind die Sicherheitsprobleme besorgniserregend und behindern ihre zukünftigen Anwendungen", sagte Wang. "Es wird erwartet, dass diese Studie nicht nur eine neue Forschungsrichtung für nichtmetallische Batterien eröffnet, sondern auch die Forschung und Technologie der NASA verbessert und gleichzeitig zur allgemeinen Forschungsinfrastruktur, den wissenschaftlichen und technologischen Fähigkeiten, der Vielfalt im Hochschulwesen und der wirtschaftlichen Entwicklung von Louisiana beiträgt."

Letztes Jahr berichtete Design News, dass LSU ME-Forscher mit der NASA zusammenarbeiten, um additive Fertigungsverfahren einzusetzen, um Kosten und Vorlaufzeiten für ihre Trägerraketen und Antriebssysteme zu reduzieren.