TEIL C

ENERGIESPEICHERN

Die verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen (V)

Hybrid-Batterie

Der Elektriker und Erfinder Jan Petrus Human aus Somerset West in Südafrika meldet im März 2007 die Entwicklung und Patentierung einer Hybrid-Batterie, die gleichzeitig geladen und entladen werden kann – was m.W. bislang als unmöglich galt.

Human berichtet, er hätte sieben Jahre lang an seiner Entwicklung gearbeitet. Die Batterie sei skalierbar und das Hybrid-Prinzip könne in allen Batteriegrößen verwendet werden, von Handys über Fahrzeuge bis zu Netzspeichern.

Mit einer Bank aus 18 Batterien von jeweils 1.000 Ah Kapazität kann er sein Haus eine Woche lang komplett versorgen – ohne Aufladung, und nur mit der in ihnen gespeicherten Sonnenenergie aus der hauseignen PV-Anlage.

Der Erfinder hofft nun auf Anleger, um die Batterie vermarkten zu können - und Gerhard Ebersohn, ein Elektroingenieur an der Universität von Pretoria, erklärt sich bereit das neue Konzept zu bewerten.

Leider ist danach nie wieder über diese Innovation berichtet worden, auch Recherchen blieben bislang erfolglos. Die Australische Patentanmeldung von 2007 trägt die Nummer AU 2007335735 (vgl. WO-Nr. 2008/075317).

Kabel-Batterie

Im August 2012 veröffentlichen koreanische Wissenschaftler, die größtenteils an Universitäten des Landes, aber auch beim Elektronikkonzern LG Chem arbeiten, einen Bericht über die Entwicklung einer flexiblen Batterie, die in ein dünnes Kabel von nicht einmal 0,5 cm Durchmesser paßt, wobei man das Kabel sogar verknoten kann, ohne daß die Batterie dabei ausfällt.

Der Aufbau des biegsamen ,Batteriekabels’ ist relativ einfach: Die Anode in der Mitte gleicht einem spiralförmig gewickelten Draht, der von einer röhrenförmigen Kathode umgeben ist. Dabei besteht die federartige, flexible Anode aus mit Nickel-Zinn beschichteten Kupferdrähten, die um einen Stab gewickelt und dann gestreckt werden, um eine Hohlspirale zu ergeben. Die Eleganz des Designs besteht darin, daß der Elektrolyt leicht in der Batterie injiziert werden kann und sich ebenso leicht in den Elektroden verteilt. Vielleicht noch wichtiger ist, daß sich die Batteriekapazität durch die Anzahl der Kupferdrähte und die Dicke des Kathodenverbunds einfach vordefinieren läßt. Die vielseitigen Batterien können in Reihe oder parallel zueinander gewebt werden und dadurch nahezu jede Form (einschließlich Folien) mit genau gesteuerter Energiedichte annehmen.

Vorläufige Tests zeigen eine stabile Abgabeleistung, unabhängig vom Grad der Biegung und mit fast keiner Veränderung im Vergleich zum nicht gebogenen Zustand. Nach starken mechanischen Beanspruchungen messen die Forscher allerdings einen leichten Rückgang der Kapazität, weshalb noch weiteren Verbesserungen erforderlich sind. Daß sich gerade LG Chem so intensiv mit diesen Batterien beschäftigt ist verständlich – arbeitet man bei dem Konzern doch intensiv daran, mit einer flexiblen Display-Technologie einen Paradigmenwechsel herbeizuführen. Ist die Einschränkung der Steifigkeit erst einmal aufgehoben, könnten sich ganz neue Märkte eröffnen und das Gerätedesign zu einem noch wichtigeren Faktor als bislang machen.

Es verwundert daher nicht, daß im Oktober 2013 gemeldet wird, das Chemieunternehmen würde bereits an drei verschiedenen Batterien-Typen der Zukunft arbeiten, die als gestuft, gebogen und als Kabel-Batterien kategorisiert werden, wobei die erste Version bereits im Juli dieses Jahres an der Nanjing-Anlage in Massenproduktion gegangen ist, um das Smartphone LG G2 von LG Electronics mit Strom zu versorgen. Der Begriff gestufte Batterie bezieht sich dabei auf eine Bauweise, bei der zwei Batterien (oder mehr) übereinander gesetzt werden, um den verfügbaren Raum innerhalb elektronischer Geräte optimal zu nutzen, z.B. in den abgerundeten Ecken und Kanten. Die gebogenen Batteriepacks, die gekrümmte Screens oder flexible Designs wie Smartphones, Uhren und Brillen versorgen, gehen in diesem Monat in Produktion, während die Kabel-Batterien in den kommenden Jahren folgen sollen.

Kalium-Luft-Batterie

Ein Kalium-Ionen-Akku ist eine Batterie, die zum Ladungstransfer Kalium-Ionen (engl. Potassium) statt Lithium-Ionen nutzt. Ihre Entwicklung geht auf den iranisch-amerikanischen Chemiker Ali Eftekhari zurück (Präsident der American Nano Society), der 2004 die elektrochemisch hochstabile Kaliumverbindung Preußischblau (eine Verbindung aus Eisen und Cyanid) als Kathodenmaterial einführt. Ein Prototyp mit dem Elektrolyten KBF₄ wird erfolgreich über Millionen von Zyklen verwendet. Im Vergleich zu Lithium-Batterien haben Kalium-Batterien zudem den Vorteil eines einfacheren Zellendesigns, nahezu alle gängigen Elektrolytsalze können verwendet werden, und die benötigten Materialien und verwendeten Verfahren für die Zellenherstellung sind billiger.

Im Jahr 2005 läßt sich die Firma Liquidmetal Technologies aus Lake Forest, Kalifornien, eine Kalium-Batterie patentieren, die den geschmolzenen Elektrolyten KPF₆ verwendet (WIPO WO/2005/017219). Über Umsetzungen ist nichts auffindbar. Das chinesische Unternehmen Starsway Electronics Ltd. beginnt 2007 mit dem Vertrieb eines tragbaren Media-Players MP405B PMP, der mit einer Kaliumbatterie ausgestattet ist. Details in Bezug auf Akkulebensdauer, Ladezeiten oder Preis gibt es nicht – und inzwischen lassen sich auch keine Spuren mehr davon finden.

Wissenschaftler der Stanford University um Yi Cui melden im November 2011, daß sich Kalium-Batterien wegen ihrer außergewöhnlichen Zyklenfestigkeit besonders gut für große Energiespeicher einsetzen lassen. Die Kathode besteht aus handelsüblichen Materialien: kristalline Preußischblau-Nanopartikel, in denen die Hälfte des Eisens durch Kupfer ersetzt ist. Die Nanopartikel werden dann auf ein Kohlenstoffsubstrat aufgetragen, das in einer Elektrolytlösung aus Kaliumnitrat eingetaucht ist. Cuis Prototypen können nach 40.000 Zyklen noch 83 % ihrer ursprünglichen Ladekapazität halten. Die Effizienz der Kathode soll sogar 99 % betragen.

Im Februar 2013 berichten Forscher der Ohio State University (OSU) darüber, eine Kalium-Luft-Batterie (K-O₂) mit geringer Überspannung entwickelt zu haben. Die Ladungs-/Entladungs-Potentiallücke kleiner als 50 mV bei einer Stromdichte von 0,16 mA/cm² ist die bislang niedrigste, die in Metall-Sauerstoff-Batterien gemessen wurde. Dies ist deshalb so wesentlich, da die Energieeffizienz von Lithium-Luft-Batterien (Li-O₂) durch hohe Überspannungen bei Entladungsreaktionen (Bildung von Li₂O₂) und Ladungsreaktionen (Oxidation von Li₂O₂) untergraben wird.

Kammler-Batterie

Unter diesem Namen kursieren seit vielen Jahren Berichte über eine Batterie, die noch immer ein Mysterium bildet. Der Name bezieht sich auf den SS Obersgruppenführer und General der Waffen-SS Dr. Ing. Hans Kammler, dem Leiter von Bau- und Rüstungsprojekten, der auch in die Geheimprojekte V1 und V2 sowie die bislang unbestätigten Flugscheiben involviert war. Die vermutlich 1998 aufgenommen Bilder dieser Batterien sollen aus dem Kammler-Nachlaß stammen.

Die Geschichte ist abenteuerlich: In den 1960er Jahren stößt ein tschechischer Schatzsucher in der Nähe von Prag auf das unterirdische Bunkersystem eines Versuchsplatzes in Stechovitz (Štěchovice) südwestlich von Prag, in dem er einen Koffer mit mehreren deutschen Kriegsbatterien findet, die keinerlei Beschriftung tragen und zunächst ganz normale Monozellen zu sein scheinen. Bei ihrer Verwendung (sie werden in Reihe geschaltet und speisen eine Lkw-Glühlampe, die einen Kellerraum erleuchtet) stellt sich aber heraus, daß sie praktisch ewig funktionierten. Sie sind anschließend über 30 Jahre lang im Einsatz und laden sich, nachdem die Glühlampe ausgeschaltet worden war, jeweils selbsttätig wieder auf.

Nach dem Ende des Ostblocks in den 1990er Jahren soll die erste nicht-private Untersuchung der Batterien und ihrer Eigenschaften durch ein großes Unternehmen im heutigen Tschechien erfolgt sein, dessen Name ich bislang allerdings noch nicht herausfinden konnte. Die Ingenieure sind in Bezug auf die Funktion der Batterie ziemlich ratlos, und auch ein tschechischer Chemiker, der viele Jahre lang in Privatinitiative daran arbeitet, hinter das Funktionsprinzip der Batterien zu kommen, bleibt erfolglos, denn bei dem Versuch, eine Batterie zu öffnen, explodiert diese.

Im Jahr 2010 versucht einer der Eigentümer der ‚ewigen’ Batterien zwei Exemplare für eine sechsstellige Summe zu verkaufen, hat jedoch keinen Erfolg, da ihm niemand glaubt, daß sie etwa 100 Jahre lang funktionieren und sich selbsttätig aufladen können.

Nach Rechercheinformationen, die mir privat mitgeteilt wurden, soll mit der Entwicklung der Batterien etwa 1937 begonnen worden sein. Es gab zwei verschiedene Batterievarianten mit gleichem Aussehen, wobei hier nur die sich selbsttätig aufladende Version von Interesse ist. Einer der bedeutendsten Männer, die damit zu tun hatten, war der österreichische Physiker Ronald Richter, der nachweisbar Ende der 1930er Jahre in Thüringen für die damaligen Suhler Waffenwerke in einer speziellen elektrotechnischen Abteilung arbeitete (und nach dem Krieg für den argentinischen Präsidenten Peron auf der Insel Huemul einen Fusionsreaktor bauen wollte. Das im März 1951 verkündete Projekt wurde jedoch durch US-amerikanische Drohungen sabotiert und nie verwirklicht).

Der US-Autor Henry Stevens geht wiederum davon aus, daß kein Geringerer als Prof. W. O. Schumann (Entdecker der Schumann-Frequenz) mindestens bis zum Jahr 1943 damit beschäftigt war, an der TU-München eine Batterie zu entwickeln und zu fertigen, die eine hohe Energiedichte aufwies und auch sehr tiefen Temperaturen standhalten konnte. Der Wirkungsverlust lag bei 1 % pro Jahr. Diese Batterien wiesen einen Innendruck von 3,5 Atmosphären auf und sahen wie normale Konstruktionen mit Stahlmantel aus, die äußerlich eine Kerbe nach Art einer Sollbruchstelle hatten. Die Bedeutung dieser Kerbe, die alle Batterien aufwiesen, ist allerdings unbekannt.

Das Batterie-Projekt wird aufgrund seiner Bedeutung ab 1939 von der SS koordiniert, und es gibt mehrere Generationen dieser Batterien, wobei die SS Exemplare nur für bedeutende wissenschaftlich-technische Projekte herausgibt. Gerüchteweise ist auch von einem Einsatz in U-Booten die Rede. Bislang verifiziert ist die Lebensdauer der Batterien, die mindestens 50 Jahre beträgt, bei sachgemäßer Behandlung aber auch die doppelte Zeitspanne erreichen dürfte. Die Systeme sind druckstabil, wärme- und kälteresistent und weisen einen Stahlmantel auf, der nicht oxidiert.

Unter der Vielzahl von Kommentaren, die sich in diversen Internet-Foren finden lassen, fand ich einen aus dem Psiram-Forum vom November 2012 besonders interessant. Hier wird darauf hingewiesen, daß man auf den Fotos eine Sicherungsschraube mit den sphärischen Einbuchtungen sieht, die nur mit einem seltenen Werkzeug gelöst werden kann. Solche Verschlußschrauben wurden seit langem dazu verwendet, um offene radioaktive Präparate vor unbefugtem Zugriff zu schützen. Daher könnte es sich bei der Kammler-Batterie um eine Isotopenbatterie nichtthermischer Bauart handeln, wie sie ab etwa 1913 entwickelt wurden. In diesem Fall sollte man sich aufgrund des hohen Radiumgehalts und der daraus resultierenden beachtlichen Strahlendosis davor hüten, der Batterie ohne Strahlenmeßgerät allzu nahe zu kommen. (Siehe dazu unter Nuklearbatterie).

Karpen-Batterie

Diese Batterie geht auf den rumänischer Ingenieur und Physiker Nicolae Vasilescu-Karpen zurück (1870 - 1964), der sich mit Telegrafie und Telefonie, Maschinenbau, Thermodynamik, Elektrochemie und anderem beschäftigt. Seine Karpen-Säule soll er im Jahr 1908 erfunden und 1922 unter dem Namen ‚Thermoelektrische Säule mit gleichmäßiger Temperatur’ (uniform-temperature thermoelectric pile) patentiert haben.

Im Jahr 1950 wird der erste Prototyp gebaut, der aus zwei in Reihe geschalteten Elektrosäulen und einem kleinen galvanometrischen Motor besteht. Die eine der beiden Elektroden ist aus Gold, die andere aus Platin, während als Elektrolyt hochreine Schwefelsäure eingesetzt wird. Der Motor bewegt einen Hebel, der mit einem Schalter verbunden ist. Mit jeder halben Drehung öffnet der Hebel den Stromkreis und schließt ihm mit Beginn der zweiten Hälfte. Die Umlaufzeit des Hebels war so errechnet worden, daß die Säulen Zeit haben um sich wieder aufzuladen, und daß sie ihre Polarität während der Zeit wieder aufzubauen, in welcher der Stromkreis offen ist. Der Zweck des Motors und des Hebels war zu zeigen, daß die Säulen tatsächlich Strom erzeugen, was heutzutage mit anderen Technologien möglich ist. Die Batterie wird in einem gesicherten Regal im Büro des Direktors des Technischen Nationalmuseum ‚Prof. Ing. Dimitrie Leonida’ in Bukarest aufbewahrt.

Als die rumänische Zeitung ZIUA (Der Tag) im Februar 2006 das Museum besucht, dürfen Spezialisten den Ausgang mit einem digitalen Multimeter messen: Es sind die gleichen 1 V, wie bereits 1950. Inzwischen arbeiten Mihai Dogaru von der Society for Promotion of Renewable, Inexhaustible and New Energies (SPERIN) und Mircea Dimitrie Cazacu vom Polytechnikum Bukarest an der Weiterentwicklung der Karpen-Batterie.

Keramik-Batterie

Auch eine solche Batterie gibt es noch nicht. Im August 2012 wird jedoch darüber berichtet, daß die Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) in Thüringen und das Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Hermsdorf gemeinsam ein Forschungszentrum gegründet haben, an dem neue Energiespeicher aus Keramik und Kunststoff bis hin zu ersten Prototypen entwickelt werden sollen, die deutlich schneller aufzuladen sind, eine höhere Speicherkapazität haben und länger halten als Batterien, die heute auf dem Markt sind.

Die Forscher am Zentrum für Energie und Umweltchemie (Center for Energy and Environmental Chemistry Jena – CEEC Jena) wollen sowohl kleine, leistungsfähige Batterien entwickeln, die in kürzester Zeit aufgeladen werden können, als auch Stromspeicher in der Größe von Überseecontainern mit einer Leistung von mehreren 100 kW bis einigen Megawatt. Wichtigstes Ziel ist es, daß die Batterien neben einem hohen Wirkungsgrad eine Lebensdauer von zehn Jahren und länger haben. Zudem sollen die Batterien fast ohne Metall auskommen, denn Akkus aus Kunststoff sind in der Herstellung kostengünstig, leichter und letztlich auch einfacher wiederzuverwerten.

Das neue Zentrum erhält bis Herbst 2015 einen 14,5 Mio. € teuren Forschungsneubau in Jena, der aus Geldern der Ernst-Abbe-Stiftunge (10 Mio. €) und der Carl-Zeiss-Stiftung (4 Mio. €) sowie des Landes Thüringen (0,5 Mio. €) finanziert wird, das auch das Grundstück im Landgrafenviertel beisteuert.

Im Mittelpunkt der Forschungen stehen dabei drei unterschiedliche Batterietypen: auf kohlenstoffhaltigen Polymeren basierende Organische Radikalbatterien (ORB) für geringere Energiemengen, sowie Redox-Flow-Batterien und Hochtemperatur-Batterien wie z.B. Natrium-Schwefel-Batterien für die Speicherung von großen Strommengen. Für die ORBs werden am Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der FSU bereits die entsprechenden polymeren Materialien entwickelt, die es erlauben, diese Batterien per Tintenstrahl- oder Siebdruckverfahren herzustellen.

Die Forschergruppe ‚Neue keramische Materialien für effiziente Energiespeicher’ des IKTS fokussiert sich derweil primär auf industrielle Stromspeicher, die auf keramischen Prinzipien beruhen, und sichert sich damit eine nahezu europaweite Alleinstellungsposition. Es ist hier bereits gelungen, innovative keramische Elektrolyte zu synthetisieren bzw. aus kommerziellen Materialien herzustellen.

Kupferschaum-Batterie

 

Ein 2009 gegründete Spin-off-Unternehmen der University of Colorado namens Prieto Battery Inc. in Fort Collins arbeitet an einer neuen Batterie-Technologie, die auf einer echten dreidimensionalen Feststoff-Architektur basiert. Die toxischen Materialien herkömmlicher Energiespeicher werden durch gewöhnliche Substanzen wie Zitronensäure ersetzt, und statt eines Elektrolyts wird ein galvanischer Überzug genutzt. Der Feststoff-Elektrolyt fungiert dabei gleichzeitig als elektronischer Isolator und Lithium-Ionen-Leiter.

Mitbegründer des neuen Unternehmens ist Cenergy, die im Jahr zuvor geschaffene Kommerzialisierungs-Abteilung für Saubere Energie der Universität, die damit erstmals in Erscheinung tritt, und die (unbezifferte) Startfinanzierung erfolgt durch die Bohemian Asset Management in Fort Collins.

Im Bereich der Kapazität, Haltbarkeit und Ladegeschwindigkeit soll der neue Energiespeicher, der als eine bahnbrechende Weiterentwickelung der Lithium-Ionen-Akku-Technologie, betrachtet wird, beträchtliche Steigerungen aufweisen. Erreicht wird die höhere Energiedichte insbesondere durch die 3D-Struktur des Kupferschaums, der die wirksame Oberfläche im Vergleich zu herkömmlichen Batterien um den Faktor 60 erhöht. Die bisherigen Li-Ion-Batterien schicken die Ionen in nur eindimensionaler Bewegung über eine zweidimensionale Ebene durch einen Elektrolyt zwischen Anode und Kathode hin und her. Beim dem neuen Solid-State-Akku greifen Anode und Kathode dagegen ineinander, wobei die so erzeugte, größere Oberfläche die Bewegung der Ionen in alle Richtungen bei gleichzeitiger Reduktion des Diffusionswegs ermöglicht. Bei der Herstellung werden mit Hilfe eines Elektropolymerisationsprozesses auf den Kupferschaum eine dünne Anoden- sowie die galvanische Elektrolytschicht aufgetragen, wobei die Hohlräume mit einer kathodischen, gelartigen Substanz aufgefüllt werden, die anschließend getrocknet wird. Die Anodenschicht besteht aus Kupfer-Antimon-Nanoröhrchen (Cu₂Sb), während der Strom auf der Kathodenseite von einer Struktur aus Aluminiummaschen gesammelt wird. Damit kommt der komplette wasserbasierte Herstellungsprozeß ohne giftige Stoffe aus.

Nach Angaben der an der University of Colorado tätigen Firmengründerin Prof. Amy L. Prieto, die sieben Jahre an der Entwicklung gearbeitet hat, weist die Batterie aufgrund der größeren Oberfläche eine volumetrische Leistungsdichte von 14 kW/l auf, während die Energiedichte 650 Wh/l betragen soll. Sie kann theoretisch 1.000fach schneller aufgeladen werden als Li-Ion-Batterien, was bei einem Elektrofahrzeug ein komplettes ‚Auftanken’ in rund 10 bis 20 Minuten bedeuten würde (bei 240 V). Der erste Prototyp von der Größe einer Handy-Batterie, einer Ladezeit von 12 Minuten und einer Beständigkeit über 5.000 Zyklen soll noch im Laufe des Jahres vorführbereit sein, wobei die Herstellungskosten etwa die Hälfte der in China produzierten herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien betragen sollen.

Es gelingt dem Unternehmen, bis Mai 2012 von verschiedenen (ungenannten) Interessenten 5,5 Mio. $ Investitionsmittel einzusammeln. obwohl man eigentlich auf 6,8 Mio. $ gehofft hatte. Im Juli erhält Prieto für ihre Arbeit den Presidential Early Career Award des Weißen Hauses, und im September beginnen Batterietests bei unabhängigen, dritten Seiten.

Als im Dezember 2013 das Amt für Wirtschaftsförderung und Außenhandel in Colorado fast 3 Mio. $ an Zuschüssen verteilt, erhält die Prieto Battery 150.000 $. Nun ist geplant, einige Komponenten der 3D-Batterien im nächsten Jahr, und die Gesamtbatterie dann im Frühjahr 2015 in den Handel zu bringen.

Lanthan-Nickel-Batterie

Lanthan-Nickel-Batterien bilden einen großen Durchbruch in der Speichertechnologie, da sie auf kleinerem Raum mehr Leistung liefern und etwa doppelt so effizient sind wie Standard-Blei-Säure-Autobatterien.

Lanthan ist eine intermetallische Komponente von Nickel-Metallhydrid-Akkus, wie sie bereits von mehreren Herstellern elektrischer Automobile, in Laptops und anderen tragbaren elektronischen Geräten eingesetzt werden. Die Batterien, wie sie in der derzeitigen Generation von Hybridautos zum Einsatz kommen, enthalten 5 – 30 kg Lanthan. Dies ist jedoch weitgehend unbekannt, da die Autobatterien fast ausnahmslos als Nickel-Metallhydrid-Batterien bezeichnet werden – ohne daß darauf hingewiesen wird, daß es sich bei dem ‚Metall’ um Lanthan handelt. Dieses wird übrigens auch als Komponente der Speichermaterialien bei Wasserstoff-Brennstoffzellen eingesetzt, die das bis zu 400fache ihres eigenen Volumens an Wasserstoff-Gas in einer reversiblen Adsorption speichern können (s.d.).

Im Juli 2001 berichten die US-Fachblätter, daß Wissenschaftler am Brookhaven National Laboratory (BNL) durch einen Fehler bei der Herstellung einer Metallmischung auf die Formel eines neuen Akkus mit längerer Lebensdauer gebracht worden sind, die sie sich auch sofort patentieren lassen (US-Nr. 6.238.823, beantragt 1998). Die Arbeit wird durch das US Department of Energy finanziert.

Die Forscher um James J. Reilly hatten an einem neuen Batterie-Typ aus den Metallen Lanthan, Nickel und Zinn gearbeitet, da sich eine Legierung dieser Metalle beim Laden und Entladen der Batterie nicht so stark verformt wie andere Kombinationen, und sich daher auch bei vielen Ladezyklen wesentlich korrosionsbeständiger als herkömmliche Batterien erweist. Als sie bei ihren Experimenten fälschlicherweise etwas zuviel Nickel und Zinn verwenden, so daß das Verhältnis der Atome nicht mehr 1 Lanthan- zu 5 Nickel- oder Zinn-Atomen, sondern 1 zu 5,157 wurde, bewirkt dieser kleine Unterschied einen großen Unterschied in der Leistung.

Eine Reihe weiterer Experimente bestätigt, daß die entstandenen Elektroden beim Einsatz in Nickel-Metallhydrid-Batterien (Ni-MH_x), den gegenwärtig meist verbreiteten Akkus, eine höhere Speicherkapazität aufweisen und auch noch formstabiler sind. Die Legierung selbst basiert auf einer klassischen Formel bei Ni-MH_x-Batterien, die aus einem quaderförmigen Gitter mit Lanthan-Atomen an den Ecken und Nickel auf der Innenseite besteht. Auf der Abbildung aus dem o.g. Patent ist das Schema der hexagonalen Gitterstruktur einer CaCu₅-Legierung mit LaNi₅ zu sehen. Da die Legierung kein teures Kobalt enthält, wie viele andere Ni-MH_x-Batterien, und auch kein giftiges Cadmium, wie in Nickel-Cadmium-Akkus, gilt sie als preiswert und relativ umweltfreundlich.

Die Elektrode arbeitet durch das Speichern von Wasserstoffatomen (aus dem Elektrolyt) in den Räumen zwischen den Metallatomen während des Ladens, und ihrer Freisetzung in den Elektrolyt während der Entladung. Die zusätzlichen Wasserstoffatome haben allerdings einen negativen Effekt: Sie bewirken, daß sich das Kristallgitter beim Laden erweitert, und beim Entladen wieder zusammenzieht, was sich in jedem Lade/Entlade-Zyklus wiederholt und die Legierung in kleine Partikel pulverisiert, die weitaus anfälliger für Korrosion sind. Aus diesem Grund lassen sich Batterien auch nicht unendlich viele Male wieder aufladen.

Bei Untersuchungen mit Hilfe des Synchrotrons am BNL gelingt es herauszufinden, wo die zusätzlichen Atome landen. Man stellt fest, daß einige der Lanthan-Atome an den Würfelecken von ‚Hanteln’ aus zwei Nickelatomen ersetzt wurden, was die Struktur zwar kompakter macht, aber auch ihre Wasserstoff-Speicherkapazität senkt – und damit auch ihre anfängliche Ladekapazität in Bezug auf die klassische 1:5 Formel. Gleichzeitig verringert es jedoch die Tendenz der Legierung zu korrodieren, und erhöht somit ihre Lebensdauer. Das Ergebnis ist, daß die langfristige Energiespeicherkapazität dieser neuen Legierung, die je nach Reinheitsgrad 25 – 100 $/kg kostet, die der Kobalt-Legierungen in kommerziellen Batterien signifikant überschreitet.

Im September 2013 berichten Forscher des Korea Institute of Energy Research und der Chonnam National University, daß sie dotiertes Lanthan-Nickel (La₂NiO₄) mit einer geschichteten Perowskit-Struktur erfolgreich als effizienten bifunktionellen Elektrolatalysator für die Sauerstoffreduktion und -bildung an einer Luftelektrode in einem wässrigen alkalischen Elektrolyten eingesetzt haben. Die Struktur von La₂NiO₄ kann als eine Art ‚Verwachsung’ von Schichten aus LaO (Kochsalz-Struktur) und Schichten des Perowskits LaNiO₃ beschrieben werden. Wieder aufladbare Lithium-Luft- und Zink-Luft-Batterien, die mit diesen Katalysatoren arbeiten, weisen eine verbesserte Effizienz, merklich reduzierte Entlade-/Ladespannungslücken sowie eine hohe Zyklen-Stabilität auf.

 

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