Kalium-Metall-Batterie als neuartige Batterietechnologie

Autor: Maximilian Geilen

Veröffentlicht am: 05.03.2020

In einer gegen Ende 2019 im Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Forschungsarbeit, zeigten Forscher des Rensselaer Polytechnic Institute, wie sie eine anhaltende Herausforderung bei der Herstellung einer Metallbatterie bewältigen konnten. Zentral ist es den Forschern gelungen eine Batteriezelle zu entwerfen in der das Dendriten Wachstum, welches bisher den Technologieansatz der Metallbatterie impraktikable machte, in einer Kalium-Kobalt-Oxid Batterie kontrollierbar wurde. Kalium ersetzt hierbei als deutlich häufiger vorkommendes und preiswerteres Element das aktuell genutzte Lithium in der Batteriezelle.

In Betrachtung der gängigen Lithium-Ionen-Batterietechnik befindet sich auf der Kathodenseite der Batteriezelle heute ein Gefüge aus einem Lithium-Kobalt-Oxid. Würden die Forscher an dieser Stelle das Lithium durch Kalium ersetzen, so würde die Leistungsfähigkeit direkt abfallen. Dies ist darin begründet, dass Kalium als Element einen größeren Atomdurchmesser als Lithium besitzt (220 pm K zu 152 pm Li) und schwerer als Lithium ist (0,856 g/cm³ K zu 0,534 g/cm³ Li). Das wiederum führt dazu, dass die Energiedichte von Lithium höher als die von Kalium ist. Würde nur das Lithium auf der Kathodenseite ersetzt, so ergäbe sich also keine nennenswerten Vorteil. Darum ersetzte, dass die Veröffentlichung verfassende Rensselear-Team, zum einen das Lithium auf der Kathodenseite und zum anderen das Grafit auf der Anodenseite durch Kaliummetall. Bei einem Vorgehen in dieser Weise bietet sich die Möglichkeit, dass Kalium-Kobalt-Oxid Batterie zu heute gängigen Lithium-Kobalt-Oxid Batterien konkurrenzfähig werden. Hier entsteht nun jedoch wiederum ein neues Problem, da dieser Ansatz die Herausforderung der Dendritenbildung mit sich bringt. Dendriten sind metallische Auswölbung an einer ansonsten glatten metallischen Oberfläche, die in Ihrer markantesten Ausbildungsform an kleine Tannenbäume erinnern können. Ein zu starkes Dendritenwachstum führt dazu, dass die spitzen Äste der Dendriten den Separator zwischen Anode und Kathode der Batteriezelle durchstoßen und somit die Batterie kurzschließen. Es entsteht eine direkter Leistungsabfall verbunden mit einer Wärmeentwicklung, was wiederum zum thermischen Durchgehen der Batteriezelle führen kann.

Im aktuellen Beitrag erklären die Forscher um Prof. Koratkar und sein Team – zu dem auch Prateek Hundekar, ein Doktorand in Rensselaer und Forscher der Universität von Maryland, darunter Chunsheng Wang, ein Professor für chemische und biomolekulare Technik, gehören – wie ihre Lösung für dieses Problem den Weg für die praktische Nutzung durch den Verbraucher ebnet. Indem sie die Batterie mit einer relativ hohen Lade- und Entladerate betreiben, können sie die Temperatur im Inneren der Batterie auf gut kontrollierte Weise erhöhen und die Elektrode mit Dendriten zur Selbstheilung anregen.

Prof. Koratkar vergleicht den erarbeiteten Prozess mit dem, was mit einem Schneehaufen nach dem Ende eines Sturms geschieht. Der Wind und die Sonne tragen dazu bei, dass die Flocken vom Schneehaufen weggeschoben werden, seine Größe schrumpft und er wird schließlich flach. In ähnlicher Form dient ein kontrollierter Temperaturanstieg in der Batteriezelle dazu, dass der lokale Wärmeeintrag die Selbstausheilung der Anodenoberfläche fördert und somit effektiv und längerfristig eine glatte Oberfläche garantiert. Langfristig soll der Effekt über ein hierfür speziell ausgelegtes BMS steuerbar werden.

Nach Aussage der Forscher ist das Verfahren inzwischen soweit verifiziert, dass es sicher reproduzierbar ist und somit dazu beiträgt, dass Kalium-Oxid-Batterien eine ernstzunehmende Technologiealternative zu heutigen Lithium-Ionen-Batterien werden können.

Hierzu sagt der die Forschungen leitende Prof. Koratkar: „ „Metal batteries are the most efficient way to construct a battery; however, because of this dendrite problem they have not been feasible. With potassium, I’m more hopeful.“

Quellen:

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200302153613.htm

https://www.pnas.org/content/early/2020/02/26/1915470117