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Natrium-Ionen-Batterien dienen nicht nur als Energiespeicher, sondern verwandeln Meerwasser ganz nebenbei in Trinkwasser. Forscher haben nun herausgefunden, dass ein bekannter Batteriewerkstoff deutlich besser funktioniert, wenn sein Wassergehalt erhalten bleibt.

Forscher der University of Surrey machten kürzlich eine überraschende Entdeckung, die Natrium-Ionen-Batterien erheblich verbessern könnte. Bisher haben Wissenschaftler das in den Batterien enthaltene Wasser durch Erhitzen mühsam entfernt, da sie eine Beeinträchtigung der Leistung vermuteten. Eine neue Studie belegt jedoch, dass der Verbleib des Wassers im Material die Energiespeicherung nahezu verdoppeln kann.

Das Team nutzt ein spezielles Material namens Nanostructured Sodium Vanadate Hydrate (NVOH). Durch den Verbleib des Wassers im NVOH erreichte das System eine deutlich höhere Ladegeschwindigkeit und eine stabilere Nutzung im Alltag. In Testreihen überstand die Batterie mehr als 400 Ladezyklen ohne nennenswerte Verluste.

Sauberes Wasser durch Energiespeicherung

Das Material zählt damit zu den bisher leistungsstärksten Kathoden für Natrium-Systeme. Natrium bietet der Industrie gegenüber Lithium entscheidende Vorteile, da es überall auf der Welt im Überfluss vorkommt. Das senkt die Anschaffungskosten für Speichertechnologien und schont gleichzeitig die Umwelt.

Ein besonderer Durchbruch gelang den Forschern durch die Vielseitigkeit des Systems, das sogar in gewöhnlichem Salzwasser funktioniert. Während die Batterie Energie speichert, zieht sie aktiv das Natrium aus der Umgebungslösung. Wissenschaftler nennen diesen doppelten Nutzen eine elektrochemische Entsalzung.

Eine Elektrode aus Graphit extrahiert dabei das Chlorid aus dem Wasser. Dadurch gewann das Team frisches Trinkwasser aus ungenießbarem Meerwasser. Dieser Prozess läuft parallel zur Speicherung ab und macht die Anlage zu einem multifunktionalen Werkzeug für Küstenregionen.

Sichere Natrium-Ionen-Batterien im Alltag

In Sachen Sicherheit überzeugt die neue Technologie durch eine stabile chemische Reaktion. Bei Tests mit einem Universalindikator färbte sich das Salzwasser an der Gegenelektrode rot. Das beweist, dass das System kein Gas entwickelt, was ein wichtiges Argument für die sichere Anwendung im Alltag ist.

Die Abwesenheit von gefährlicher Gasbildung erhöht die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batterie. So entsteht ein System, das für den Einsatz in sensiblen Umgebungen einsatzbereit ist. Langfristig entwerfen die Ingenieure Systeme, die Meerwasser als sicheren und unerschöpflichen Elektrolyten verwenden.

Das reduziert für die Industrie die Abhängigkeit von teuren chemischen Zusätzen. Die vereinfachte Herstellung dieser Batterien bringt die kommerzielle Nutzung in greifbare Nähe.

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Eine neuartige Batterie nutzt die komplexe Chemie von Schwefel, um eine besonders hohe Energiedichte zu erreichen. Statt als Speichermaterial dient Schwefel dabei als aktiver Elektronenspender in einer Kombination mit Natrium und Chlor.

Schwefel kommt in der Natur in großen Mengen vor und ist in der Beschaffung sehr kostengünstig. Ein neuer wissenschaftlicher Ansatz nutzt eine ungewöhnliche Schwefel-Chemie, um eine hohe Leistungsdichte in Batterien zu erzielen. Laut einem Bericht des Magazins Nature unterscheidet sich dieser von herkömmlichen Speichersystemen.

Das Konzept sieht vor, dass Schwefel nicht nur als Speicher für Energie dient. Das Material gibt während der chemischen Reaktion aktive Elektronen ab. Dies ist ungewöhnlich, da die Schwefel-Ketten in der Batterie direkt reagieren und so mehr Ladungsträger freisetzen als bei herkömmlichen Schwefel-Verbindungen.

Schwefel-Batterie: Wirtschaftlichkeit und Rohstoffvorteile

Die Forschung zeigt, dass durch diesen Prozess eine höhere spezifische Kapazität möglich ist. Anstatt die Elektronen nur zwischen den Polen hin und her zu schieben, liefert der Schwefel durch seine chemische Umwandlung zusätzliche Teilchen für den Stromfluss.

Das führt dazu, dass die Batterie bei gleicher Größe eine höhere Energiedichte aufweist. Heißt konkret: Geräte könnten länger mit Strom versorgt werden. Die Nutzung von Schwefel bietet Vorteile für die Produktion zukünftiger Batterien. Da der Rohstoff auf der Erde reichlich vorhanden ist, entfallen teure Lieferketten für seltene Materialien.

Das führt dazu, dass Batterien auf dieser Basis preiswerter hergestellt werden können.  Die Teilchen liefern die Kraft für die Batterie direkt aus der chemischen Reaktion. Daten von Experten wie John Timmer belegen die Leistungsfähigkeit dieses speziellen Ansatzes.

Nachhaltigkeit und chemische Prozesse

Forscher entwickeln die Technologie aktuell noch weiter, um die Stabilität der Reaktionen zu garantieren. Ein Aspekt der neuartigen Schwefel-Batterie ist die Nachhaltigkeit durch die Verwendung eines häufigen Elements. Denn Schwefel fällt oft als Nebenprodukt in der Industrie an, weshalb die Beschaffung die Umwelt weniger belastet als der Abbau seltener Erden. Die Hardware für saubere Energie steht so auf einer umweltfreundlichen Basis.

Im Kern der Technologie steht die Erkenntnis, dass Schwefel nicht nur die Ladung hält, sondern selbst oxidiert oder reduziert wird, um Elektronen zu liefern. Durch diese aktive Beteiligung an der Stromerzeugung wird das Material optimal ausgenutzt. Aktuell konzentriert sich die Forschung darauf, diese Schwefel-Reaktionen über viele Ladezyklen hinweg stabil zu halten.

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Weltweit suchen Forscher nach langlebigen, sicheren und günstigen Batterien. Wissenschaftler aus Südkorea haben nun gezeigt, dass eine clevere Materialgestaltung Festkörperbatterien deutlich verbessern kann – ganz ohne teure Metalle.

Eine Entdeckung südkoreanischer Forscher könnte Festkörperbatterien grundlegend verändern und auf ein neues Leistungsniveau heben. Denn den Forschern gelang es, die Leistungsfähigkeit der Batterien durch eine clevere Materialgestaltung deutlich zu verbessern – und zwar ohne teure Metalle.

Der neue Ansatz soll die Herstellung zudem effizienter machen und dadurch Kosten reduzieren. Eine Massenproduktion leistungsstarker Festkörperbatterien könnte damit in greifbare Nähe rücken.

Festkörperbatterie: Bessere Batterielaufzeit durch Framework-Mechanismus

Im Zentrum der Entwicklung steht der sogenannte „Framework-Regulation-Mechanismus“. Die Forscher nutzen ein spezielles Zusammenspiel von Sauerstoff- und Schwefel-Anionen, um die atomaren Wege innerhalb der Batterie zu regulieren.

Diese Atome weiten die Gitterstrukturen auf und machen die Straßen für die Ionen sprichwörtlich deutlich breiter. Dadurch können die Ladungsträger viel schneller und ungehinderter durch das Material fließen. Durch die strukturelle Anpassung konnten die Experten die Beweglichkeit der Lithium-Ionen um das Zwei- bis Vierfache steigern.

Ihre Messwerte zeigen eine Ionenleitfähigkeit von 1,78 Millisiemens pro Zentimeter (mS/cm) beziehungsweise 1,01 Millisiemens pro Zentimeter bei Raumtemperatur. Diese Ergebnisse belegen die Marktreife der Technologie, da sie eine zuverlässige Leistungsabgabe unter realen Alltagsbedingungen garantieren.

Maximale Sicherheit für dein nächstes Smartphone

Ein wesentlicher Vorteil der Technologie ist die erhöhte Sicherheit im Vergleich zu herkömmlichen Akkus. Da keine brennbaren flüssigen Elektrolyte verwendet werden, sinkt das Risiko für Brände oder Explosionen auf ein Minimum. Das bedeutet nicht nur mehr Leistung, sondern verspricht auch mehr Sicherheit für Elektroautos.

Professor Dong-Hwa Seo betont, dass das Designprinzip die Kosten und Leistung von Batterien durch den Einsatz günstiger Rohstoffe wie Zirkonium optimiert. Laut den Forschern ist das Potenzial für eine industrielle Anwendung sehr hoch, da der Fokus nun auf dem klugen Design statt nur auf der Materialwahl liegt.

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Ein neuer chemischer Trick könnte Brom-Flussbatterien deutlich langlebiger und günstiger machen. Forscher haben das aggressive Brom dazu gebunden, um höhere Zyklen und eine höhere Energiedichte zu ermöglichen. 

Brom-basierte Flussbatterien könnten eine entscheidende Rolle bei der Speicherung erneuerbarer Energien spielen, da sie auf breit verfügbaren Rohstoffen basieren und eine hohe Energiedichte versprechen. Bei herkömmlichen Systemen entsteht während des Ladevorgangs jedoch elementares Brom, das die internen Komponenten der Batterie durch Korrosion stark beschädigen kann.

Zudem führen bisherige Additive oft zu einer unerwünschten Trennung der Elektrolyte in verschiedenen Phasen, was die Effizienz mindert. Ein Forscherteam unter der Leitung von Xianfeng Li hat nun einen neuen chemischen Ansatz entwickelt, um dieses Problem zu lösen.

Durch die Zugabe von organischen Aminverbindungen zum Elektrolyten fungieren diese als Bromfänger und wandeln das entstehende Brom in stabile bromierte Amine um. Dieser Prozess senkt die Konzentration an freiem Brom im Elektrolyten auf ein relativ niedriges Niveau.

Brom-Flussbatterien: Multi-Elektronen-Transfer steigert Effizienz

Die technologische Neuerung ermöglicht einen Zwei-Elektronen-Transfer, während Standardreaktionen bisher lediglich ein einzelnes Elektron übertragen konnten. Dieser Wechsel steigert nicht nur die Energiedichte der Batterie, sondern reduziert auch das korrosive Verhalten im Inneren des Systems.

Dadurch wird die Lebensdauer der Speicherlösungen deutlich verlängert, was Brom-Flussbatterien für den großflächigen Einsatz attraktiver macht. In praktischen Tests mit einer skalierten fünf Kilowatt Anlage konnte die Batterie über 700 Lade- und Entladezyklen hinweg stabil betrieben werden.

Aufgrund der geringen Bromkonzentration ist es den Forschern zufolge möglich, kostengünstige, nicht fluorierte Membranen einzusetzen, anstatt teure Spezialkomponenten. Nach Abschluss der Tests zeigten sich offenbar keine Korrosionsschäden an wichtigen Bauteilen wie Elektroden oder Stromkollektoren.

Zukunft der Netzspeicherung

Die Forscher sehen in ihrem Ansatz das Fundament für langlebige und sichere Zink-Brom-Flussbatterien im industriellen Maßstab. Die Technologie biete einen Pfad zu einer nachhaltigen Energieinfrastruktur, die sowohl effizient als auch wirtschaftlich rentabel sei.

Gerade in Zeiten, in denen das Speichern von Energie in Batterien wichtiger denn je ist, könnte die Technologie bei einer Wende zu nachhaltigen Energieträgern unterstützen.

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Der Beitrag Holz statt Lithium: Natrium-Ionen-Batterie aus dem Thüringer Wald erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Um die Energiewende voranzutreiben, sind kostengünstige, sichere und ressourcenschonende Energiespeicher gefragt. Eine neue Idee kommt aus dem Thüringer Wald: nachhaltige Batterien aus Holzabfall. Die Hintergründe.

Die Zukunft der nachhaltigen Batterie-Produktion kommt anscheinend aus dem Herzen Deutschlands: Im Thüringer Wald arbeiten Forscher daran, sogenannte Natrium-Ionen-Batterien nahezu vollständig auf Basis lokaler und nachwachsender Rohstoffe herzustellen.

Das Projekt namens „ThüNaBsE“ (Thüringer Natrium-Ionen-Batterie für die skalierbare Energiespeicherung) ist eine Zusammenarbeit des Fraunhofer-Instituts IKTS sowie der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

So funktioniert die Natrium-Ionen-Batterie aus dem Thüringer Wald

Im Mittelpunkt der Forschung steht das Material Lignin. Es fällt als Nebenprodukt in großen Mengen in der Holz- und Zellstoffindustrie an. Als Biopolymer verleiht der Stoff dem Holz seine Festigkeit.

Bisher wurde Lignin üblicherweise zur Energiegewinnung verbrannt. Die Wissenschaftler haben nun allerdings einen weiteren nützlichen Verwendungszweck gefunden.

Lignin besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoff-Bausteinen, die sich sinnvoll in der Chemie verwenden lassen, zum Beispiel als Elektrodenmaterial für Batterien. Im Projekt soll der biobasierte Rohstoff für die negative Elektrode genutzt werden.

Dafür wird das Lignin in einem thermischen Verfahren unter Hitze- und Luftausschluss zu hartem Kohlenstoff (Hard Carbon) veredelt. Diese poröse, stabile Kohlenstoffstruktur kann Natrium-Ionen reversibel speichern. Als Material für die positive Elektrode kommen ungiftige Eisenverbindungen, sogenannte Berliner-Blau-Analoga, zum Einsatz.

Unabhängigkeit dank lokaler Rohstoffe

Mit der nachhaltigen Natrium-Ionen-Batterie soll ein wichtiger Beitrag zur Stärkung der Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen und zur Wende hin zu günstigeren, nachhaltigeren und sicheren Batterien geleistet werden, heißt es in einer Pressemitteilung.

„Wir wollen in der Wertschöpfungskette auf kritische Metalle wie Lithium, Kobalt und Nickel in Batterien verzichten“, erklärt Dr. Lukas Medenbach, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS in Arnstadt.

Zudem möchten wir den Fluoranteil in Elektroden und Elektrolyt möglichst niedrig halten und erproben, inwiefern er sich komplett vermeiden lässt. Kern des Vorhabens ist aber die Verarbeitung von lokal verfügbarem, hochwertigem Lignin zu leistungsfähigen Elektroden in unseren Natrium-Ionen-Batterien.

Ein weiteres Ziel des Projekts sei es, Nachwuchsforscher in Thüringen zu fördern. Daher seien an »ThüNaBsE« eine Reihe junger Wissenschaftler beteiligt, die in den Themenfeldern Energie und Batterieforschung promovieren.

Erste Tests vielversprechend

Aktuell werden in Batterietestzentren in Arnstadt, Hermsdorf und Jena erste Kleindemonstratorzellen gebaut und getestet. Begleitet werden die Laborarbeiten von realitätsnahen, multiphysikalischen Simulationen.

Die Ergebnisse sind vielversprechend: „Die Laborzelle ist nach 100 Lade- und Entladezyklen noch nicht stark degradiert. Ziel ist es, zum Projektabschluss 200 Lade- und Entladezyklen für eine Stundenampere-Vollzelle nachzuweisen“, so Medenbach.

So sollen die nachhaltigen Wald-Batterien zum Einsatz kommen

Die fertig entwickelte Batterie könnte als stationärer oder mobiler Speicher dort eingesetzt werden, wo keine schnellen Ladezeiten erforderlich sind. So eignen sich Lignin-basierte Natrium-Ionen-Batterien beispielsweise für mobile Anwendungen mit geringerem Leistungsbedarf.

Infrage kommen etwa Microcars oder Flurförderfahrzeuge wie Gabelstapler. Nach dem Abschluss der Forschungsphase ist geplant, die Technologie weiter zu skalieren und den Weg zur Marktreife in einem noch größeren Konsortium zu beschreiten.

Das Projekt wird vom Freistaat Thüringen und dem Europäischen Sozialfonds gefördert und von einem starken, überwiegend regionalen Industriebeirat begleitet.

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Der Beitrag Feststoffbatterie: Neuer Hightech-Akku aus Europa erschien zuerst beim Online-Magazin BASIC thinking. Über unseren Newsletter UPDATE startest du jeden Morgen bestens informiert in den Tag.

Der kroatische Automobilhersteller Rimac arbeitet an einer neuen Feststoffbatterie, die die Versorgung von E-Autos auf ein neues Level heben könnte. Das Paket soll bis zu 30 Kilogramm leichter sein als klassische Akkus und dabei deutlich mehr Energie bieten.

Feststoffbatterien gelten als eine der vielversprechendsten Zukunftstechnologien der Automobilindustrie. Denn sie können deutlich höhere Energiedichten als heute gängige Lithium-Ionen-Batterien erreichen.

Für Automobilkonzerne kann das entscheidende Vorteile in Sachen Reichweite von E-Autos bringen. Denn bei gleichem Gewicht können Feststoffbatterien mehr Reichweite ermöglichen.

Das kroatische Unternehmen Rimac Technology rückt dem Traum von Feststoffbatterien für die Straße mit seinen aktuellen Entwicklungen nach eigenen Angaben deutlich näher, wie das britische Fachmagazin Autocar berichtet. Bis zum Ende des Jahrzehnts wolle der Hersteller seine Feststoffbatterien auf den Markt bringen.

Revolutioniert diese Feststoffbatterie aus Europa die Elektromobilität?

Feststoffzellen bieten auch durch ihre Bauweise zusätzliche Vorteile für die Automobilindustrie, da sie ohne flüssige, brennbare Elektrolyte auskommen. Dadurch können diese Akkus wesentlich widerstandsfähiger gegenüber Überhitzung oder Bränden sein.

Zudem bieten Feststoffbatterien schnellere Ladezeiten und eine längere Lebensdauer. Das wiederum hat Auswirkungen auf die langfristigen Kosten sowie den Komfort der Fahrer.

Die Festkörperbatterie der Firma Rimac, die sich derzeit in Tests befindet, soll auf eine Kapazität von 100 Kilowattstunden kommen. Der kroatische Hersteller arbeitet hieran zusammen mit dem Zellhersteller ProLogium und den Verbundwerkstoffexperten von Mitsubishi

Rimac verspricht sich von seinem Prototypen eine um 20 bis 30 Prozent höhere Energiedichte als bei einer herkömmliche Batterie. Dabei ist die Feststoffzelle außerdem rund 30 Kilogramm leichter. Grund hierfür ist das sehr leichte sowie extrem steife Verbundgehäuse, das von Mitsubishi beigesteuert wird.

Keine serienmäßige Großproduktion geplant

Nurdin Pitarevic, der stellvertretende CEO der Rimac Group, erklärt im Interview mit Autocar, dass die entwickelte Feststoffbatterie bis zum Ende des Jahrzehnts auf die Straßen kommen soll. Das könnte in einem neuen Bugatti-Modell der Fall sein, das der Automobilhersteller 2030 auf den Markt bringen will.

Pitarevic geht außerdem davon aus, dass die Kosten der Feststoffbatterie bis zum Jahr 2035 mit aktuellen Standardzellen gleichziehen werden. Der kroatische Hersteller habe jedoch keine Absicht Festkörperbatterien in Serie zu konventionellen Preisen herzustellen. Es sei jedoch denkbar, dass Rimac die eigene Technologie für die Batterieherstellung an andere Unternehmen lizensiert.

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