Thomas Edisons gescheiterte wiederaufladbare Batterie könnte ein zweites Leben erhalten

USA - Ekhbary Nachrichtenagentur

Thomas Edisons gescheiterte wiederaufladbare Batterie könnte ein zweites Leben erhalten

In einer Entwicklung, die Kapitel der Elektrospeichergeschichte neu schreiben könnte, hat ein Forscherteam der University of California, Los Angeles (UCLA) erfolgreich einen Prototyp einer Nickel-Eisen-Batterie entwickelt, der auf den bahnbrechenden Prinzipien des berühmten Erfinders Thomas Edison basiert. Während Edisons ursprüngliche Vision für diese Technologie im frühen 20. Jahrhundert darin bestand, Elektroautos anzutreiben, glauben heutige Forscher nun, dass ihre grundlegenden Konzepte weitaus besser für Anwendungen zur Speicherung erneuerbarer Energien geeignet sind, wie z. B. in Solarenergie- und Windkraftanlagen.

Die kürzlich in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift 'Small' veröffentlichte Studie beschreibt einen innovativen Batterieprototypen, der sich in Sekundenschnelle aufladen lässt und über 12.000 Lade-Entlade-Zyklen standhält. Diese bemerkenswerte Langlebigkeit entspricht etwa 30 Jahren intensiver täglicher Nutzung und deutet auf eine außergewöhnlich lange Lebensdauer dieser neu interpretierten Technologie hin. Dieser Durchbruch spiegelt ein tieferes Verständnis dafür wider, wie chemische Prinzipien auf Nanoebene für überlegene Leistung genutzt werden können.

Das Konzept der wiederaufladbaren elektrischen Energie war zu Edisons Zeiten nicht völlig neu. Bis 1900 gab es auf den Straßen der Vereinigten Staaten mehr Elektrohybridautos als benzinbetriebene Fahrzeuge. Im Jahr 1901 patentierte Edison erfolgreich eine funktionierende Blei-Säure-Autobatterie, die das 20. Jahrhundert fast auf einen völlig anderen Weg gebracht hätte. Edisons Batterien stießen jedoch auf erhebliche Hürden, darunter hohe Kosten und eine begrenzte Reichweite von nur 30 Meilen, wodurch sie schließlich dem Verbrennungsmotor unterlagen, bevor Edison seine Vision eines erfolgreichen Nickel-Eisen-Nachfolgers vollständig verwirklichen konnte.

Heute ist erneuerbare Energie nach über einem Jahrhundert kontinuierlicher Innovation und angesichts des wachsenden Bewusstseins für die schwerwiegenden Folgen fossiler Brennstoffe ein Eckpfeiler des globalen Energiemixes. Während die meisten Menschen heute mit wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien vertraut sind, ist Edisons Nickel-Eisen-Konzept nicht vollständig verschwunden. Die Ingenieure der UCLA räumen ein, dass diese Technologie zwar möglicherweise nicht direkt für Transportanwendungen geeignet ist, aber ein enormes Potenzial für den Einsatz in Energieinfrastrukturen wie Solarparks und groß angelegten Energiespeichern zeigt.

Dr. Maher El-Kady, einer der Co-Autoren der Studie, erklärt, dass die zugrunde liegenden Prinzipien dieser Technologie, obwohl sie auf atomaren Bindungen und Nanotechnologie basieren, überraschend leicht zu verstehen sind. "Menschen denken oft, dass moderne Nanotechnologie-Werkzeuge kompliziert und High-Tech sind, aber unser Ansatz ist überraschend einfach und geradlinig", sagte er in einem kürzlich veröffentlichten UCLA-Profil.

El-Kady's Team schöpfte Inspiration aus zwei Hauptquellen: der fundamentalen Chemie und der Skelettanatomie. Beispielsweise beinhaltet die Bildung von Wirbeltierknochen und Schalen die Verwendung bestimmter Proteine als Gerüst für den Aufbau von Kalzium-basierten Verbindungen. "Das richtige Ablegen von Mineralien baut Knochen auf, die stark, aber flexibel genug sind, um nicht brüchig zu sein. Wie es gemacht wird, ist fast so wichtig wie das verwendete Material, und Proteine steuern, wie sie platziert werden", erklärt Dr. Ric Kaner, Materialwissenschaftler und Co-Autor der Studie.

El-Kady und Kaner untersuchten die Möglichkeit, dieses biologische System durch den Austausch von Kalzium durch Nickel und Eisen anzupassen. Für die Proteinkomponente verwendeten sie Nebenprodukte der Rinderverarbeitung und imprägnierten sie mit Graphenoxid – einer nur ein Atom dicken Schicht aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Schließlich gelang es ihnen, eine gefaltete Proteinstruktur zu züchten, die mit positiv geladenen Nickelatomen und negativ geladenen Eisenatomen gefüllt war. Diese Strukturen, die weniger als fünf Nanometer breit sind, würden 10.000 bis 20.000 Cluster benötigen, um die Breite eines menschlichen Haares zu erreichen.

Die Sauerstoffatome von Graphenoxid fungieren typischerweise als Isolatoren, was die Effizienz der Batterie beeinträchtigen könnte. Das Team fand jedoch eine Lösung. Indem sie ihre Kreation in überhitztes Wasser legten, verwandelten die hohen Temperaturen die Proteine in Kohlenstoff und eliminierten gleichzeitig den gesamten Sauerstoff. Gleichzeitig wurden diese Metallcluster weiter in die Strukturen eingebettet. Das Ergebnis war ein Aerogel, das zu fast 99 % aus Luft bestand. Von hier aus übernehmen die überraschenden Dynamiken der Oberfläche.

"Wenn wir von größeren Partikeln zu diesen extrem kleinen Nanoclustern übergehen, wird die Oberfläche dramatisch größer. Das ist ein riesiger Vorteil für Batterien", erklärte El-Kady. "Wenn die Partikel so klein sind, kann fast jedes Atom an der Reaktion teilnehmen. Daher erfolgen das Laden und Entladen viel schneller, Sie können mehr Ladung speichern und die gesamte Batterie funktioniert effizienter."

Obwohl El-Kady's Nickel-Eisen-Aerogel-Batterie derzeit nicht annähernd die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Alternativen erreicht und sie daher für Elektrofahrzeuge ungeeignet ist, geht ihre Bedeutung über ein bloßes chemisches Experiment hinaus. Die schnelle Aufladung, Langlebigkeit und hohe Leistung der Nickel-Eisen-Batterie deuten auf ein gutes Potenzial für Anwendungen in Solarparks hin. Die Batterie könnte tagsüber überschüssige Elektrizität leicht und schnell speichern und diese Energie dann nachts ins Netz einspeisen. Darüber hinaus könnte sie als wichtige Notstromquelle für energieintensive Rechenzentren dienen.

Obwohl die Wiedergeburt von Edisons Nickel-Eisen-Batterien noch in den Anfängen steckt, sind die wissenschaftlichen und technischen Kenntnisse vorhanden. Darüber hinaus umgeht sie vollständig die Abhängigkeit von Seltenerdmetallen, die für Lithium-Ionen-Batterien charakteristisch ist.

"Wir mischen einfach gängige Zutaten, wenden sanfte Erwärmungsschritte an und verwenden weit verbreitete Rohstoffe", schloss El-Kady. Diese Aussagen eröffnen die Tür zu einer vielversprechenden Zukunft der Energiespeicherung, in der von der Vergangenheit inspirierte Innovationen eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung gegenwärtiger und zukünftiger Herausforderungen spielen.

Ekhbary Nachrichtenagentur