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Die Akkus der Zukunft könnten statt Lithium auf den häufigeren Elementen Natrium und Magnesium basieren. Wenn es nach den Forschern geht, sind diese zudem sicherer.

Schweizer Forschende haben neue Akku-Prototypen entwickelt, die auf Natrium und Magnesium statt dem begrenzt verfügbaren Rohstoff Lithium beruhen. Weil sie darin außerdem feste statt flüssige Elektrolyte nutzen, sind die neuen Speicherzellen sicherer und könnten den Weg weisen zur nächsten Akku-Generation.
Die eindrücklichen Bilder von explodierten Smartphones dürften den Nutzern solch mobiler Geräte zumindest ein mulmiges Gefühl beschert haben. Die flüssigen Bestandteile in Lithium-Ionen-Akkus sind brennbar und bergen damit das Risiko, unter ungünstigen Umständen Feuer zu fangen. Deshalb suchen Forschende nach sichereren Alternativen auf Basis von Feststoffen.

Das Forscherteam von Arndt Remhof von der Forschungsanstalt Empa hat im Rahmen eines vom Schweizer Nationalfonds (SNF) geförderten Projekts zwei Prototypen für Feststoffbatterien entwickelt. Eine Variante beruht auf Natrium- statt Lithiumionen, die andere auf Magnesiumionen. Der Vorteil: Natrium und Magnesium sind im Gegensatz zu Lithium nahezu unbegrenzt verfügbar, wie der SNF am Dienstag mitteilte.
Eine Herausforderung bei der Entwicklung war, den Festelektrolyten so zu gestalten, dass sich die Ionen möglichst ungehindert bewegen können. Wenn die positiv geladenen Ionen von einem Pol des Akkus zum anderen wandern, ermöglichen sie auch die Bewegung der negativ geladenen Elektronen und erzeugen auf diese Weise Strom.

Remhofs Team musste daher Festelektrolyten mit einer entsprechenden Kristallstruktur entwickeln, damit sich die Natrium- beziehungsweise Magnesiumionen optimal darin bewegen konnten. "Ich vergleiche unsere Arbeit gerne mit der eines Fußballtrainers", sagt Remhof gemäß der SNF-Mitteilung. "Auch die besten Spieler können nichts ausrichten, wenn die 'Chemie' nicht stimmt!"
Für den Natriumionen-Akku gelang es, die Bewegung der Ionen bereits ab 20 Grad Celsius zu ermöglichen, wie die Forscher im Fachblatt "Chemical Communications" berichten. Eine beachtliche Leistung, denn Ionen brauchen für die Bewegung Wärme.
Und diese Reaktion bereits bei Raumtemperatur ablaufen zu lassen, sei eine technische Herausforderung, so der SNF. Der Festelektrolyt sei zudem nicht brennbar und bleibe bis 300 Grad chemisch stabil. Er sei also besonders sicher.

Allerdings speichert Natrium bei gleichem Gewicht weniger Energie als Lithium. Das heißt, ein natriumbasierter Akku mit gleicher Speicherkapazität wäre größer als ein entsprechender Lithium-Ionen-Akku. "Er dient daher als ideale Alternative, wenn die Größe des Speichermediums für die Anwendung unerheblich ist", sagte Studienautor Leo Duchene von der Empa gemäß der Mitteilung.
Anders sieht die Situation bei Magnesium aus: Magnesiumionen sind zweifach positiv geladen, Magnesium kann daher bei gleichem Volumen fast die doppelte Energiemenge speichern als Lithium. Jedoch sind die Magnesiumionen schwieriger in Bewegung zu versetzen, üblicherweise erst ab 400 Grad.
Dank des optimierten Festelektrolyten erreichte das Team der Empa aber eine vergleichbare Leitfähigkeit bereits bei 70 Grad. Das berichten die Wissenschafter im Fachblatt Nature.com.

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