Strom ist leicht verderblich. Wenn es beim Erstellen nicht verwendet wird, wird es schnell als Wärme abgeführt. Eine vollständige Dekarbonisierung des Stromnetzes kann nur Realität werden, wenn große Mengen an Sonnen- und Windenergie jederzeit gespeichert und genutzt werden können. Schließlich können wir erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Windkraft nicht rund um die Uhr betreiben.
Derzeit machen Lithium-Ionen-Batterien einen beträchtlichen Anteil am Energiespeichermarkt aus. Aber sie sind sehr geehrtereinbeziehen seltene Metalle extrahierenund sind alles andere als umweltverträglich. Es ist entscheidend, eine weniger umweltschädliche Alternative zu finden – und Wissenschaftler analysieren sie bisher Ersatz für Lithium-Ionen-Akkus unter Verwendung von Rohstoffen wie Natrium, Magnesium und sogar Meerwasser, aber in den letzten Jahren hat die Energiewirtschaft in Metall-Luft-Batterien als neue Generation für die Speicherung von Netzenergie investiert.
Metall-Luft-Batterien waren erstmals 1878 entworfen. Die Technologie nutzt Luftsauerstoff als Kathode (Elektronenempfänger) und als Metallanode (Elektronenspender). Diese Anode besteht aus billigen und reichlich verfügbaren Metallen wie Aluminium, Zink oder Eisen. „Diese drei Metalle haben es in Bezug auf die Verwendung in Metall-Luft-Batterien an die Spitze geschafft“, sagt Yet-Ming Chiang, Professor für Elektrochemie am Massachusetts Institute of Technology.
Im 1932, Zink-Luft-Batterien waren die erste Art von Metall-Luft-Batterien, die in Hörgeräten weit verbreitet waren. Drei Jahrzehnte später versuchten Wissenschaftler der NASA und des GTE Lab, es zu entwickeln Eisen-Luft-Batterien zum NASA-Weltraumsysteme aber am Ende aufgegeben. Dennoch verfolgen einige Forscher diese schwer fassbare Technologie.
Die Forscher dachten, das könnten theoretisch Metall-Luft-Batterien haben höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus seit mehr als sechs Jahrzehnten. Doch ihr volles Potenzial haben sie in der Vergangenheit immer wieder nicht ausgeschöpft.
In einer Lithium-Ionen-Batterie ist der Prozess der Energieerzeugung einfach. Lithiumatome springen einfach zwischen zwei Elektroden, wenn die Batterie geladen und entladen wird.
Das Einbeziehen von Luft macht den Prozess jedoch schwieriger und fügt eine zusätzliche Herausforderung hinzu – die Schwierigkeit des Wiederaufladens. Der Sauerstoff reagiert mit dem Metall und erzeugt eine Chemikalie, die dann den Elektrolyseprozess startet und Energie entlädt. Aber statt einer Reaktion, die hin und her gehen kann, erfolgt bei Metall-Luft-Batterien die Übertragung meist in eine Richtung. Dank des konstanten Flusses von Luftsauerstoff in einer Metall-Luft-Batterie wird die Batterie einmal gestartet können auch bei Nichtgebrauch schnell korrodieren und haben eine begrenzte Haltbarkeit.
Außerdem sind die Wattstunden pro Kilogramm von Metall-Luft-Batterien, die die Energiespeicherung pro Masseneinheit der Batterie messen, derzeit nicht außergewöhnlich hoch. Dies sei der Hauptgrund, warum Elektrofahrzeuge keine Metall-Luft-Batterien wie Eisen-Luft-Batterien mehr verwenden könnten, sagt Chiang. Populärwissenschaft. „Lithium-Ionen-Akkus haben 100 Wattstunden pro Kilogramm. Aber für Eisen-Luft waren es nur 40 Wattstunden pro Kilogramm. Die Rate, mit der Energie gespeichert und dann aus der Batterie entladen wird, ist vergleichsweise gering“, sagt er.
[Related: We need safer ways to recycle electric car and cellphone batteries.]
Aber er argumentiert, dass trotz dieser Einschränkungen stationäre Energiespeicher Eisen-Luft-Batterien verwenden könnten. In einem Start-up namens Energie bildenChiang und seine Kollegen haben eine neue, kostengünstige Eisen-Luft-Batterietechnologie entwickelt, die bis 2024 eine mehrtägige Speicherung für erneuerbare Energie ermöglichen wird.
„Auch wenn es für Elektrofahrzeuge nicht funktioniert hat, können Eisen-Luft-Batterien kommerziell zur Energiespeicherung entwickelt werden und bis Mitte des Jahrhunderts dazu beitragen, den Klimawandel abzuschwächen“, fügt Chiang hinzu, der auch wissenschaftlicher Direktor bei Form Energy ist.
Chiangs Team hat den „Reverse Rust“-Prozess in seiner Batterietechnologie verfeinert, der Energie effizient speichert und freisetzt. Wenn das Eisen chemisch oxidiert, verliert es Elektronen, die durch den externen Stromkreis der Batterie zu ihrer Luftelektrode geschickt werden. Luftsauerstoff wird an der Luftelektrode zu Hydroxidionen, gelangt dann zur Eisenelektrode und bildet Eisenhydroxid, das schließlich zu Rost wird.
„Wenn Sie den elektrischen Strom zur Batterie umkehren, entrostet dies die Batterie. Je nachdem, ob die Batterie entladen oder geladen wird, werden Elektronen entweder aus dem Eisen genommen oder dem Eisen hinzugefügt“, sagt Chiang. Er behauptet, dass die Batterie liefern kann sauberer Strom für 100 Stunden zu einem Preis von nur 20 $/kWh, ein Schnäppchen gegenüber Lithium-Ionen-Batterien, die bis zu 200 $/kWh kosten.
Aber Eisen ist nicht das einzige Metall, das auf dem Vormarsch ist. Während sich der Wettlauf um die Entwicklung langlebiger Metall-Luft-Batterien zur Energiespeicherung verschärft, investieren mehrere Unternehmen und ihre Forscher in Zink-Luft- und Aluminium-Luft-Batterien.
[Related: Renewable energy needs storage. These 3 solutions can help.]
Materialwissenschaftler der Universität Münster in Deutschland haben das Design von Zink-Luft-Batterien mit einem neuen überarbeitet Elektrolyt bestehend aus wasserabweisenden Ionen. Bei herkömmlichen Zinkbatterien können die Elektrolyte sein ätzend mit einem hohen pH-Wert, wodurch sie korrosiv genug werden, um die Batterie zu beschädigen. Die Forscher überwanden dieses Problem, indem sie dafür sorgten, dass die wasserabweisenden Ionen an der Luftkathode haften blieben, sodass das Wasser im Elektrolyten nicht mit dem einströmenden Sauerstoff reagieren konnte. Zink-Ionen von der Anode können sich frei zur Kathode bewegen, wo sie mit Luftsauerstoff interagieren und immer wieder Energie erzeugen.
Während sich die Forscher der Entwicklung wiederaufladbarer Zink-Luft-Batterien nähern, hat ein kanadisches Unternehmen Zink8 Energie, hat sein Produkt bereits vorgestellt. Das Start-up nutzt Zink-Luft-Batterien mit einem Speicher, der Kaliumhydroxid und geladenes Zink enthält. Netzstrom spaltet das chemische Zinkat in Zink, Wasser und Sauerstoff. Dadurch werden die Zinkpartikel aufgeladen und Strom gespeichert.
Wenn Strom ins Netz eingespeist werden muss, synchronisiert sich das geladene Zink mit Sauerstoff und Wasser, gibt den gespeicherten Strom frei und produziert Zinkat. Danach beginnt der gesamte Prozess von neuem. Der Konzern gab die Einführung dieser Zink-Luft-Flow-Batterien auf dem Weltmarkt bekannt Installation ihre Technologie in einem Solarpanel-Wohngebäude in Queens, New York.
Wie Eisen ist Zink weit verbreitet und verfügt über bestehende Lieferketten. Ein anderes ebenso häufiges Metall, Aluminium, wird ebenfalls verwendet Entwicklung von Aluminium-Luft-Batterien. Aber im Gegensatz zu Zink-Luft-Batterien können Aluminium-Luft-Batterien nicht wieder aufgeladen werden, sagt Chiang. der CO2-Fußabdruck der Aluminiumproduktion ist auch höher als bei anderen Metall-Luft-Batterieoptionen.
Bis 2028 ist der globale Markt für Metall-Luft-Batterien voraussichtlich 1.173 Millionen US-Dollar erreichen, hauptsächlich um Energiespeicherlösungen bereitzustellen. Aber im Moment sind es Investoren, Branchenanalysten und Verbraucher ungeduldig warten für den nächsten großen Durchbruch.