Professor Jürgen Fleig, Tobias Huber und Alexander Schmid haben die Sauerstoff-Ionen-Batterie erfunden (vlnr).

Forscher:innen der TU Wien haben eine neuartige Hochtemperatur-Batterie erfunden: Die keramische Sauerstoff-Ionen-Batterie soll extrem langlebig sein, ohne seltene Elemente auskommen und das Problem der Brandgefahr lösen.

Lithium-Ionen-Batterien sind nicht für alle Einsatzbereiche die beste Lösung. An der TU Wien gelang es nun, eine Sauerstoff-Ionen-Batterie zu entwickeln, die einige wichtige Vorteile aufweist. Sie ermöglicht zwar nicht so hohe Energiedichten wie die Lithium-Ionen-Batterie, aber dafür nimmt ihre Speicherkapazität im Lauf der Zeit nicht unwiderruflich ab. Sie lässt sich regenerieren und ermöglicht damit eine extrem lange Lebensdauer. Außerdem kann man Sauerstoff-Ionen-Batterien herstellen, ohne dafür seltene Elemente zu benötigen. Und sie besteht aus unbrennbaren Materialien. Die neue Batterie-Idee haben die Forscher:innen zusammen mit Kooperationspartnern aus Spanien bereits zum Patent angemeldet. Für große Energiespeicher, etwa zum Aufbewahren elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen, könnte die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine gute Lösung sein.

Keramische Materialien als neue Lösung

„Wir haben schon seit längerer Zeit viel Erfahrung mit keramischen Materialien gesammelt, die man für Brennstoffzellen verwenden kann“, sagt Alexander Schmid vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. „Das brachte uns auf die Idee, zu untersuchen, ob solche Materialien vielleicht auch dafür geeignet wären, eine Batterie herzustellen.“

Die keramischen Materialien, die das Team der TU Wien untersuchte, können doppelt negativ geladene Sauerstoff-Ionen aufnehmen und abgeben. Wenn man eine elektrische Spannung anlegt, wandern die Sauerstoff-Ionen von einem keramischen Material zum anderen, danach kann man sie wieder zurückwandern lassen und so elektrischen Strom erzeugen.

Außerdem kommt die Sauerstoff-Ionen-Batterie ohne seltene Elemente aus, die teuer sind oder die man nur auf umweltschädliche Weise gewinnen kann. „In diesem Punkt ist die Verwendung von keramischen Materialien ein großer Vorteil, weil sie sehr gut angepasst werden können“, sagt Tobias Huber vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. „Man kann relativ problemlos bestimmte Elemente, die nur schwer zu bekommen sind, durch andere ersetzen.“ Der Prototyp der Batterie verwendet noch Lanthan – ein zwar nicht seltenes aber doch nicht völlig alltägliches Element. Doch auch Lanthan wollen die Forscher:innen noch durch etwas Billigeres ersetzen, Forschungen daran laufen bereits. Auf Kobalt oder Nickel, die man in vielen Batterien verwendet, kann man völlig verzichten.

Sehr lange Lebensdauer von Sauerstoff-Ionen-Batterie möglich

Der vielleicht wichtigste Vorteil der neuen Batterietechnik ist aber ihre potenzielle Langlebigkeit: „In vielen Batterien hat man das Problem, dass sich die Ladungsträger irgendwann nicht mehr bewegen können“, sagt Alexander Schmid. „Dann können sie nicht mehr zur Stromerzeugung genutzt werden, die Kapazität der Batterie sinkt. Nach vielen Ladungszyklen kann das zum ernsten Problem werden.“

Die Sauerstoff-Ionen-Batterie hingegen lässt sich problemlos regenerieren. Wenn Sauerstoff durch Nebenreaktionen verloren geht, dann kann man der Schwund einfach durch Sauerstoff aus der Umgebungsluft ausgleichen.

Für Smartphones oder Elektroautos ist das neue Batterie-Konzept nicht gedacht, denn die Sauerstoff-Ionen-Batterie erreicht nur rund ein Drittel der Energiedichte, die man von Lithium-Ionen-Batterien gewohnt ist und läuft bei Temperaturen zwischen 200 und 400 °C. Höchst interessant aber ist die Technologie nach Ansicht der Erfinder:innen zum Speichern großer Energiemengen. „Wenn man etwa einen großen Energiespeicher benötigt, um Solar- oder Windenergie zwischenzuspeichern, wäre die Sauerstoff-Ionen-Batterie eine hervorragende Lösung“, sagt Alexander Schmid. „Wenn man ohnehin ein ganzes Gebäude mit Energiespeicher-Modulen errichtet, spielt die geringere Energiedichte und erhöhte Betriebstemperatur keine entscheidende Rolle. Die Stärken unserer Batterie wären gerade dort aber besonders wichtig: Die lange Lebensdauer, die Möglichkeit, große Mengen dieser Materialien ohne seltene Elemente herzustellen, und die Tatsache, dass es bei diesen Batterien keine Brandgefahr gibt.“