Umweltfreundliche Energiespeicherung Kohlenstoffbatterien speichern erneuerbare Energien und helfen dem Klimaschutz

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Forscher entwickeln am Oak Ridge National Laboratory eine spannende Batterietechnologie, die einerseits erneuerbare Energien speichert und andererseits Kohlendioxid aus der Luft abscheidet.

Forscher am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) entwickeln Batterietechnologien, um den Klimawandel auf zweierlei Weise zu bekämpfen: durch die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien und die Abscheidung von Kohlendioxid aus der Luft.

Dieser Batterietyp speichert die von Sonnenkollektoren oder Windturbinen erzeugte erneuerbare Energie. Um diese Energie zu nutzen, wenn Wind und Sonnenlicht nicht zur Verfügung stehen, ist eine elektrochemische Reaktion erforderlich, die in der neuen Batterieformel des ORNL Kohlendioxid aus Industrieemissionen auffängt und in Mehrwertprodukte umwandelt.

ORNL-Forscher haben in jüngster Vergangenheit zwei verschiedene Batteriekonzepte entwickelt und getestet, die Kohlendioxidgas (CO₂) in eine feste Form umwandeln, die für andere Produkte verwendet werden kann. Einer dieser neuen Batterietypen behielt seine Kapazität für 600 Betriebsstunden bei und konnte bis zu zehn Stunden Strom speichern. Die Forscher identifizierten, untersuchten und überwanden auch das Haupthindernis, die durch chemische Ablagerungen verursachte Deaktivierung, die ein Hindernis für das andere Batteriekonzept darstellte.

„Die TEST-Initiative (Transformation Energy Science and Technology) des ORNL ist genau die Art von Anstrengung, die wir benötigen, um den Klimawandel zu bekämpfen. Wir freuen uns, dass das ORNL in innovative Ideen und Ansätze investiert, die die Art und Weise, wie wir über die Speicherung von Energie jenseits von Lithium-Ionen-Batterien und anderen konventionellen elektrochemischen Energiespeichersystemen nachdenken, verändern können“, sagte Ilias Belharouak, ein ORNL Corporate Fellow und Leiter der Initiative.

„Das ist ein fantastisches Szenario: Freie Elektronen zu nutzen, um CO₂ zu speichern und es in gewinnbringende Produkte umzuwandeln, ist ein Konzept, das ich mir vor zehn Jahren nie hätte vorstellen können, aber das ist erst der Anfang.“

Stationär und offen

Batterien funktionieren durch elektrochemische Reaktionen, bei denen Ionen zwischen zwei Elektroden durch einen Elektrolyten bewegt werden. Im Gegensatz zu Handy- oder Autobatterien müssen Batterien, die für die Energiespeicherung im Netz konzipiert sind, nicht als tragbares, geschlossenes System funktionieren. So konnten die ORNL-Forscher zwei Arten von Batterien entwickeln und testen, die CO₂ aus stationären industriellen Quellen umwandeln können.

So könnte unter anderem das in einem Kraftwerk erzeugte Kohlendioxid durch ein Rohr in den flüssigen Elektrolyten gepumpt werden, wodurch Blasen entstehen, ähnlich denen in einem kohlensäurehaltigen Erfrischungsgetränk. Während des Batteriebetriebs verwandeln sich die Gasblasen in ein festes Pulver.

Wie funktioniert das?

Jede Komponente einer Batterie kann aus verschiedenen Elementen oder Verbindungen bestehen. Diese Auswahl bestimmt die Lebensdauer der Batterie, wie viel Energie sie speichern kann, wie groß oder schwer sie ist und wie schnell sie sich auflädt oder Energie abgibt. Bei einem der neuen ORNL-Batteriekonzepte wird CO₂ mit Natrium aus Salzwasser unter Verwendung eines kostengünstigen Eisen-Nickel-Katalysators kombiniert. Bei der zweiten Variante wird das Gas mit Aluminium kombiniert. Jeder Ansatz verwendet reichlich vorhandene Materialien und einen flüssigen Elektrolyten in Form von Salzwasser, manchmal gemischt mit anderen Chemikalien. Die Batterien sind sicherer als bestehende Technologien, weil ihre Elektroden in Wasser stabil sind, so der leitende Forscher Ruhul Amin.

Bisher wurde nur sehr wenig Forschung zu CO₂-Batterien betrieben. Der bisher erprobte Ansatz beruht auf einer reversiblen Metall-CO₂-Reaktion, bei der Kohlendioxid regeneriert wird, wodurch weiterhin Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen. Außerdem neigen feste Entladungsprodukte dazu, die Oberfläche der Elektrode zu verstopfen, was die Leistung der Batterie beeinträchtigt.

Die am ORNL entwickelten CO₂-Batterien setzen jedoch kein Kohlendioxid frei. Stattdessen löst sich das Karbonat-Nebenprodukt in dem flüssigen Elektrolyten auf. Das Nebenprodukt reichert entweder kontinuierlich die Flüssigkeit an, um die Batterieleistung zu verbessern, oder es kann vom Boden des Behälters gefiltert werden, ohne den Batteriebetrieb zu unterbrechen.

Das Batteriedesign kann sogar so angepasst werden, dass mehr dieser Nebenprodukte für die Verwendung in der Pharma- oder Zementindustrie entstehen. Die einzigen Gase, die freigesetzt werden, sind Sauerstoff und Wasserstoff, die nicht zum Klimawandel beitragen und sogar zur Energie- oder Kraftstofferzeugung aufgefangen werden können. Für diese CO₂-Batterien verwendeten die ORNL-Forscher eine fast gänzlich neue Materialkombination. Die wenigen ähnlichen früheren Konstruktionen funktionierten nur für kurze Zeit oder enthielten teure Metalle.

Vorteile, Nachteile und bewältigte Herausforderungen

Die Natrium-Kohlendioxid- oder Na-CO₂-Batterie wurde als Erste entwickelt und stieß auf einige Hindernisse. Damit dieses System funktioniert, müssen die Elektroden in nassen und trockenen Kammern mit einem festen Ionenleiter dazwischen getrennt werden. Die Barriere verlangsamt die Bewegung der Ionen, was wiederum den Betrieb der Batterie entschleunigt und deren Effizienz verringert.

Eine große Herausforderung für diese Na-CO₂-Batterie besteht darin, dass sich nach längerem Gebrauch ein Film auf der Elektrodenoberfläche bildet, der schließlich zur Deaktivierung der Batterie führt. Amins Forschungsteam setzte hoch spezialisierte Mikroskope und Röntgentechniken ein, um die Batteriezelle zu untersuchen, und zwar in verschiedenen Betriebsstadien und dann, als sie ausfiel.

Die Untersuchung der Filmbildung half den Forschern zu verstehen, wie man sie wieder abbauen kann. Sie waren fasziniert, als sie feststellten, dass die Batterie reaktiviert oder ihre Deaktivierung verhindert werden kann, indem der Lade-/Entladezyklus verändert wird. Ungleichmäßige Lade- und Entladeimpulse verhinderten die Filmbildung auf der Elektrode.

„Wir berichten zum ersten Mal, dass die deaktivierte Zelle reaktiviert werden kann“, so Amin. „Und wir haben die Ursache für die Deaktivierung und Aktivierung gefunden. Wenn man die Batterie zu lange symmetrisch lädt und entlädt, ist sie in einem Stadium tot. Wenn man das Protokoll verwendet, das wir für unsere Zelle entwickelt haben, ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls sehr gering.“

Ein zweites Design für die Langzeitspeicherung

Als Nächstes konzentrierten sich die Forscher auf das Design der Aluminium-Kohlendioxid- oder Al-CO₂-Batterie. Das Team experimentierte mit verschiedenen Elektrolytlösungen und drei verschiedenen Syntheseverfahren, um die beste Kombination zu finden. Das Ergebnis war eine Batterie, die eine Speicherkapazität von mehr als zehn Stunden Strom für die spätere Nutzung bietet. „Das ist für die Langzeitspeicherung von großer Bedeutung“, sagte Amin. „Dies ist die erste Al-CO₂-Batterie, die über einen langen Zeitraum stabil laufen könnte, was ja das Ziel ist. Nur ein paar Stunden gespeicherte Energie zu speichern, ist nicht hilfreich“.

Die Tests ergaben, dass die ORNL-Batterie mehr als 600 Stunden ohne Kapazitätsverlust betrieben werden kann, so Amin – weit mehr als die einzige zuvor gemeldete Al-CO₂-Batterie, die nur acht Stunden lang getestet wurde. Das Tüpfelchen auf dem i ist, dass diese Batterie fast doppelt so viel Kohlendioxid einfängt wie die Na-CO₂-Batterie. Das System kann für den Betrieb in einer einzigen Kammer ausgelegt werden, wobei sich beide Elektroden in derselben flüssigen Lösung befinden, sodass es kein Hindernis für die Ionenbewegung gibt.

Die Herausforderung für die Al-CO₂-Batterie besteht darin, die Skalierbarkeit zu verbessern, so Amin. Dennoch wird das Team die Eigenschaften der Batterie weiter systematisch untersuchen, um die Betriebsdauer zu verlängern und CO₂ effizienter abzuscheiden. Damit die Na-CO₂-Batterie wettbewerbsfähig ist, wird sich das Team auf die Entwicklung einer sehr feinen, dichten und mechanisch stabilen Keramikmembran zur Trennung der Batteriekammern konzentrieren.

Dieses Forschungsprojekt wurde durch das ORNL-Programm für laborgeleitete Forschung und Entwicklung (LDRD) finanziert. Für die Forschung an der Natrium-CO₂-Batterie wurde das Center for Nanophase Materials Sciences, eine DOE-Nutzereinrichtung des ORNL, genutzt. (sb)

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