Edison-Batterie: Renaissance dank Nanomaterial

Stanford (USA) - Langsam, schwach und längst veraltet – dieses vernichtende Etikett trägt die klassische aufladbare Nickel-Eisen-Batterie, seit sie ab den 1990er Jahren weitgehend vom schnelleren und leistungsstärkeren Lithium-Ionen-Akku ersetzt wurde. Doch nun könnte der alte Energiespeicher aus Edisons Zeiten ein Comeback feiern: US-Forscher optimierten seine Elektroden mithilfe modernster Nanomaterialien. Ihr Prototyp ist binnen zwei Minuten vollständig aufzuladen und gibt die Energie bei Bedarf in nur 30 Sekunden wieder ab. Damit ist der Nickel-Eisen-Akku wieder konkurrenzfähig, schreiben die Forscher im Fachblatt „Nature Communications“, und kann seine anderen Stärken ausspielen: Die Rohmaterialien sind weit verbreitet, billig und ungiftig und auch bei unsachgemäßem Umgang explodiert der langlebige Akku nicht. Ihm winken Einsatzfelder wie Elektroautos, die etwa beim Anfahren einen extra Leistungsschub benötigen, oder Ergänzungsspeicher für Wind- und Solaranlagen, um vorübergehend überschüssige Energie zu speichern.

„Wir haben die Lade- und Entlade-Rate um fast das Tausendfache erhöht, wir haben sie wirklich schnell gemacht“, sagt Hailiang Wang, Hauptautor der Studie und Chemiker an der Stanford University. Im Team um den Chemie-Professor Hongjie Dai nahm er sich des Nickel-Eisen-Akkumulators an, den der Allround-Tüftler Thomas Edison wie auch der schwedische Erfinder Waldemar Jungner etwa zeitgleich um 1900 entwickelt hatten – als günstigen Ersatz für die korrosionsanfälligen Blei-Säure-Batterien. Bereits Edison sah den Akku auch als robusten Antrieb für Elektrofahrzeuge. Zudem stellte er bis etwa 1970 den langlebigen und verlässlichen Standard der aufladbaren Batterie. Allerdings brauchte er viele Stunden zum Aufladen und gab die gespeicherte Energie nur langsam wieder frei, so dass Lithium-Ionen-Akkus ihn nach und nach verdrängten.

Diesen Nachteil hat das Stanford-Team nun ausgeräumt, indem es die Elektroden der Batterie mit feinsten Strukturen des Kohlenstoffmaterials Graphen und winzigen Kohlenstoffnanoröhrchen versetzten. Statt diese aber wie in herkömmlichen Elektroden einfach beizumischen und so die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, ließen die Forscher darauf winzige Strukturen wachsen. Die ursprüngliche Eisen-Anode besteht nun aus Eisenoxid-Nanokristallen, die auf Graphenschichten gewachsen sind. Die einstige Nickelkathode ist eine Ansammlung von Nickelhydroxid-Nanokristallen, gewachsen auf den Nanoröhrchen. Diese Methode liefert eine starke chemische Bindung zwischen den anorganischen Metallpartikeln und dem Kohlenstoff, was die elektrische Ladung wesentlich schneller zwischen den Elektroden und dem anliegenden Schaltkreis fließen lässt. Als Elektrolyt dient nach wie vor Kalilauge, auch dies ein billiger, ungiftiger und umweltfreundlicher Rohstoff. Der 1-Volt-Prototyp der Forscher liefert eine Energiedichte von mehr als 120 Wattstunden pro Kilogramm, eine ähnliche Leistung wie bei einfachen Lithium-Ionen-Akkus. Derzeit reicht dies nur, um eine Taschenlampe zu betreiben. Doch größere Versionen seien kein Problem, so das Team.

„Es ist definitiv vergrößerbar“, sagt Wang und betont die niedrigen Kosten der Materialien und ihre Ungefährlichkeit. Der bisher größte Nachteil der neuen alten Energiespeicher: Die Kapazität sinkt nach rund 800 Lade-Entlade-Zyklen auf rund 80 Prozent, ähnlich einem Lithium-Ionen-Akku. Da der ultraschnelle Nickel-Eisen-Akku aber deutlich mehr Ladezyklen absolvieren soll, konzentrieren sich die Forscher auf dem Weg zur Marktreife nun auf das lange Erhalten der vollen Kapazität.