Calcium-Akku mit langer Lebensdauer

Da der Einsatz von Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen im Netzmaßstab zunimmt, war die Notwendigkeit, Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) zu erkunden, noch nie so groß. Ein solcher Ersatz sind Ca-Metallbatterien. Als fünfthäufigstes Element in der Erdkruste ist Kalzium weit verbreitet und kostengünstig und weist ein höheres Energiedichtepotenzial als LIBs auf. Es wird auch angenommen, dass seine Eigenschaften dazu beitragen, den Ionentransport und die Diffusion in Elektrolyten und Kathodenmaterialien zu beschleunigen, was ihm einen Vorteil gegenüber anderen LIB-Alternativen wie Magnesium und Zink verschafft.

Der kommerziellen Realisierbarkeit von Ca-Metallbatterien stehen jedoch weiterhin viele Hürden im Weg. Das Fehlen eines effizienten Elektrolyten und das Fehlen von Kathodenmaterialien mit ausreichend Ca²⁺ Als Haupthindernis erwiesen sich die Speicherkapazitäten.

Bereits im Jahr 2021 lieferten einige Mitglieder der aktuellen Forschungsgruppe eine Lösung für das frühere Problem, als sie einen neuen fluorfreien Calcium (Ca)-Elektrolyten auf Basis eines Wasserstoffclusters (Monocarboran) realisierten. Der Elektrolyt zeigte deutlich verbesserte elektrochemische Leistungen wie hohe Leitfähigkeit und hohe elektrochemische Stabilität.

„Für unsere aktuelle Forschung haben wir den Langzeitbetrieb einer Ca-Metallbatterie mit einer Kupfersulfid (CuS)-Nanopartikel/Kohlenstoff-Verbundkathode und einem Elektrolyten auf Hydridbasis getestet“, sagt Kazuaki Kisu, Assistenzprofessor am Institut der Tohoku-Universität für Materialforschung (IMR).

CuS ist ebenfalls ein natürliches Mineral und verfügt über günstige elektrochemische Eigenschaften. Aufgrund seiner Schichtstruktur kann es eine Vielzahl von Kationen speichern, darunter Lithium, Natrium und Magnesium. Es hat eine große theoretische Kapazität von 560 mAh g-1 – zwei- bis dreimal höher als aktuelle Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien.

Durch Nanopartikelbildung und Verbundwerkstoffe mit Kohlenstoffmaterialien konnten Kisu und seine Kollegen eine Kathode herstellen, die große Mengen an Kalziumionen speichern kann. Wenn sie mit dem Hydrid-Elektrolyten verwendet werden, erzeugen sie eine Batterie mit einer äußerst stabilen Zyklenleistung. Basierend auf der Kapazität des 10. Zyklus behielt der Batterieprototyp über 500 Zyklen hinweg eine Kapazitätserhaltung von 92 % bei.

Die Gruppe ist zuversichtlich, dass ihr Durchbruch dazu beitragen wird, die Forschung zu Kathodenmaterialien für Ca-basierte Batterien voranzutreiben. „Unsere Studie bestätigt die Machbarkeit von Ca-Metallanoden für den Langzeitbetrieb und wir hoffen, dass die Ergebnisse die Entwicklung von Ca-Metallbatterien beschleunigen werden“, sagt Kisu.