Forschungszentrum Jülich Neuer Institutsbereich erforscht Silizium-Luft-Akkus

Prof. Rüdiger-A. Eichel, Direktor des Institutsbereichs Grundlagen der Elektrochemie
Prof. Rüdiger-A. Eichel, Direktor des Institutsbereichs Grundlagen der Elektrochemie

Der Silizium-Luft-Akku könnte langfristig Lithium-Ionen-Akkus in verschiedenen Bereichen ersetzen, denn er gilt als besonders umweltfreundlich, effizient und unempfindlich gegen äußere Einflüsse. Um diese Akkus marktreif zu machen, hat das Forschungszentrum Jülich den Institutsbereich »Grundlagen der Elektrochemie« gegründet.

Die Energiedichte von Silizium-Luft-Akkus ist mit über 1.000 Wh/kg mehr als fünfmal höher als die von gegenwärtigen Lithium-Ionen-Akkus. Das Speicherpotenzial ist damit vergleichbar mit Lithium-Luft-Akkus, die sich zurzeit ebenfalls noch in der Entwicklung befinden. Anders als diese bestehen Silizium-Luft-Akkus aber aus umweltverträglichen, ungiftigen Komponenten und versprechen nach derzeitigem Wissen eine Lebensdauer von Tausenden Stunden. Nässe und Temperaturschwankungen können ihnen kaum etwas anhaben, während Lithium-Akkus explosiv auf das Eindringen von Wasser oder Luftfeuchtigkeit reagieren.

Zudem ist Silizium – anders als Lithium – praktisch in unbegrenzter Menge verfügbar. Es ist eines der am häufigsten auf der Erde vorkommenden Elemente und wird aus Sand gewonnen. So wären auch Speicher mit großer Kapazität problemlos und kostengünstig realisieren, ohne auf knappe Ressourcen Rücksicht nehmen zu müssen.

Beim Silizium-Luft-Akku ist nur die Anode als Feststoff ausgelegt. Anstelle der Kathode besitzt sie eine luftdurchlässige Membran, durch die der gasförmige Reaktionspartner, Luftsauerstoff, in die Zelle gelangt. Ein Prototyp wurde 2009 erstmals in der Gruppe von Prof. Yair Ein-Eli am Technion im israelischen Haifa vorgestellt. Derzeit werden Silizium-Luft-Akkus in Hörgeräten erprobt, danach soll der Einsatz in anderen Kleingeräten folgen. Langfristig ist auch die Anpassung für leistungsstärkere Anwendungen wie Elektroautos geplant.

»Problematisch bei diesem Typ Batterie sind allerdings noch bisher unverstandene elektrochemische Reaktionen, die zu einem verfrühten Abbruch der Batterieentladung führen. Hier wollen wir ansetzen und mit neuartigen spektroskopischen Methoden zunächst die grundlegenden Mechanismen aufklären, die zur Batteriedegradation führen, um anschließend verbesserte Materialien entwickeln zu können«, berichtet Prof. Rüdiger-A. Eichel. Der studierte Physiker befasst sich seit seiner Habilitation an der TU Darmstadt mit neuartigen Materialien der Energiewandlung und -speicherung und ist seit dem 1. Oktober 2012 Direktor des neuen Jülicher Institutsbereich »Grundlagen der Elektrochemie« des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-9).

»Die Gründung des Institutsbereichs zu den Grundlagen der Elektrochemie ist Teil unserer verstärkten Aktivitäten im Bereich der Energieforschung, speziell in der Erforschung und Entwicklung neuer Werkstoffe als Grundlage für neue Energiespeicher und -wandler«, erläutert Prof. Harald Bolt, Mitglied des Vorstands des Forschungszentrums Jülich. »Durch diese Forschung zur Energiespeicherung schaffen wir eine der wichtigsten Voraussetzungen für den erfolgreichen Umbau zu einem nachhaltigen Energiesystem.«