Calcium-Luft-Batterie flexibel wie Textilfasern

Shanghai (China) - Langlebige Batterien brauchen nicht immer Salze aus dem begehrten Leichtmetall Lithium. Natrium-Ionen-Batterien beispielsweise sind bereits weit entwickelt, speichern allerdings etwas weniger Strom als Lithium-Ionen-Batterien. Auch Calcium bietet sich als Alternative an, da es rund 2500 mal häufiger als Lithium ist und rund um den Globus verfügbar. Zudem könnten Stromspeicher auf Calciumbasis durchaus mit den Speichereigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien gleichziehen. Chinesische Forschende präsentieren nun in der Fachzeitschrift „Nature“ eine Calcium-Luft-Batterie, die erstmals auch bei Raumtemperatur stabil ist.

Dieses Ziel erreichte Lei Ye von der Fudan Universität in Shanghai mit ihrer Arbeitsgruppe durch den geschickten Aufbau der Batterie und einen speziellen, flüssigen Elektrolyten. Für die Anode beschichteten die Forschenden eine hauchdünne Faser aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit metallischem Calcium. Diese Faser umhüllten sie mit einem Geflecht ebenfalls aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, das die Rolle der Kathode übernahm. Zwischen die beiden Elektroden füllten sie einen Elektrolyten auf der Basis einer so genannten ionischen Flüssigkeit aus einem Tetrafluoroborat, vermischt mit Dimethylsulphoxid. In dieser Flüssigkeit lösten sie das Salz Calciumbistrifluoromethanesulphonimid, kurz Ca(TFSI)2 genannt.

In zahlreichen Lade- und Entladeversuchen bestimmten die Forschenden die elektrochemischen Eigenschaften dieser Calcium-Luft-Batterie. Das Grundprinzip: Beim Entladen geben die Calcium-Atome jeweils zwei Elektronen ab und verbinden sich mit dem Sauerstoff der Luft zu Calciumdioxid. Dieses wird in der Kathode eingelagert. Beim Laden läuft dieser Prozess in umgekehrter Richtung: Calciumdioxid gibt seinen Sauerstoff wieder ab und neutrales Calcium kehrt zurück zur Anode. Dieser Prozess verlief dank des speziellen flüssigen Elektrolytens zuverlässig bei Raumtemperatur ab. Über rund 700 Ladezyklen konnte eine relativ hohe Kapazität von 500 Milliamperestunden pro Gramm erzielt werden. Das ist sogar etwas mehr als bei Lithium-Ionen-Batterien mit 372 mAh/g.

Batterien auf der Basis von Calcium werden weltweit in zahlreichen Arbeitsgruppen entwickelt. Auch deutsche Forschende am Karlsruher Institut für Technologie erreichten bereits mit einer Calcium-Schwefel-Batterie viele Ladezyklen bei Raumtemperatur. Aber von einer Serienreife mit mindestens 1500 Ladezyklen ohne große Leistungseinbußen sind alle Entwicklungen noch weit entfernt. Jedoch bietet der neue Prototyp aus Shanghai noch einen zusätzlichen Vorteil: Wegen der Kombination mit flexiblen Nanoröhrchen aus Kohlenstoff sind die Calcium-Luft-Batterien ähnlich flexibel wie Textilfaser und könnten daher in stromspeichernde Stoffe eingewoben werden.