Wie die Welt sich schnell auf die Nutzung erneuerbarer Energiequellen zubewegt, bleibt eine entscheidende Frage - wie kann man Energie effektiv speichern, wenn Solarzellen und Windturbinen nicht genug Elektrizität produzieren? Dieser Bedarf an Energiespeicherung wird noch bedeutender, wenn wir die unzuverlässige Natur erneuerbarer Quellen wie Solarstrahlung und Wind berücksichtigen, die im Laufe des Tages und des Jahres schwanken.

Bisher haben Lithium-Ionen-Batterien den Markt als Haupttechnologie zur Energiespeicherung dominiert, aber bestehende Probleme mit den Lieferketten von Materialien wie Lithium, Nickel und Kobalt sowie hohe Kosten und ökologische Herausforderungen haben Forscher dazu veranlasst, alternative Lösungen zu erkunden. Professor Xiaowei Teng vom Worcester Polytechnic Institute (WPI) und sein Forschungsteam konzentrierten sich auf Eisen als Schlüsselmaterial für zukünftige Batterien, und ihre neuesten Entdeckungen bringen revolutionäre Veränderungen in diesem Bereich.

Eisen als nachhaltige Lösung

Eisen, das das zweithäufigste Metall in der Erdkruste ist, stellt eine nachhaltigere Wahl im Vergleich zu selteneren und teureren Metallen wie Nickel und Kobalt dar. In den Vereinigten Staaten werden jährlich über 40 Millionen metrische Tonnen Eisen und Stahl recycelt, was diese Option für Forscher attraktiv macht. Obwohl Eisen-Nickel-Batterien bereits lange im Einsatz sind, die bis in die Zeit von Thomas Edison zu Beginn des 20. Jahrhunderts zurückreichen, leiden diese Batterien unter wesentlichen Nachteilen wie der Wasserstoffproduktion während des Ladevorgangs und der geringen Speichereffizienz aufgrund der Bildung von inerten Eisenverbindungen während der Entladung.

Um diese Probleme zu überwinden, gelang es dem Forschungsteam unter der Leitung von Xiaowei Teng, die Häufigkeit unerwünschter chemischer Reaktionen durch die Zugabe von Silikaten zum Elektrolyten zu reduzieren. Silikat, eine Verbindung aus Silizium und Sauerstoff, hat Anwendung in verschiedenen Industrien wie Glas-, Zement- und Reinigungsmittel gefunden. Im Kontext von Batterien entdeckten Forscher, dass Silikat die Bildung von Wasserstoff während des Ladevorgangs verhindert, was ein effizienteres Laden und eine größere Speicherkapazität ermöglicht. Diese Entdeckung hat enormes Potenzial zur Verbesserung der Leistung von Eisen-Nickel- und Eisen-Luft-Batterien, die besonders gut für Anwendungen in Mikronetzen und Anlagen für erneuerbare Energien wie Solar- oder Windparks geeignet sind.

Energieeffiziente Zukunft

Die Vorteile von Eisenbatterien in Kombination mit Silikaten hören nicht nur bei der Verbesserung der Energiespeicherung auf. Diese Batterien bieten eine wirtschaftlich günstigere und ökologisch nachhaltigere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, deren Produktion und Vorräte globale Bedenken hervorrufen. Darüber hinaus ermöglicht Silikat eine erhöhte Sicherheit, da es die Risiken explosiver Wasserstoffreaktionen in herkömmlichen Batterien verringert. Da die globale Energienachfrage steigt und die Kosten für Produktion und Verteilung aus erneuerbaren Quellen eine immer größere Herausforderung darstellen, stellen Eisen-Silikat-Batterien eine Schlüsseltechnologie für die Zukunft der Energiespeicherung dar.

Dieser innovative Ansatz könnte einen stabileren und effizienteren Energietransfer in Anlagen ermöglichen, die Wind oder Sonne als primäre Quellen nutzen, wodurch die Notwendigkeit der Nutzung traditioneller fossiler Brennstoffe verringert wird. Angesichts des zunehmenden Drucks auf die Reduzierung von Kohlendioxidemissionen und den Kampf gegen den Klimawandel werden Silikat-Eisen-Batterien zu einem entscheidenden Faktor für die Bereitstellung sauberer Energie auf globaler Ebene.

Quelle: WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE