Zwischen Geschichte und Hightech: US-Team legt Edisons Batterie neu auf

In den frühen Jahren des automobilen Zeitalters galt eine andere Batterietechnik als der Lithium-Ionen-Akku als vielversprechender Kandidat für elektrische Fahrzeuge: die Nickel-Eisen-Zelle, an der Thomas Edison um 1900 intensiv arbeitete. Edison versuchte, den damals verbreiteten Blei-Säure-Akkumulator zu ersetzen, weil er sich von der Nickel-Eisen-Chemie eine größere Reichweite, höhere Lebensdauer und vergleichsweise schnelle Ladezeiten versprach. Diese frühen Erwartungen wurden damals nicht erfüllt, unter anderem weil die Zellen zu schwer und zu träge im Ladeverhalten waren und der Verbrennungsmotor die Oberhand gewann. In einer aktuellen Studie haben Forscher:innen diesen chemischen Ansatz nun mit Methoden der modernen Nanowissenschaft wieder aufgegriffen und weiterentwickelt.

Anders bauen, schneller laden

Im Kern beruht der neue Ansatz auf einer Technik, bei der winzige Metallcluster aus Nickel und Eisen in eine extrem dünne Kohlenstoffstruktur eingebettet werden, die als leitfähige Matrix dient. Diese Nanostrukturen entstehen mit einer Art biologischer Assistenz: Proteine, die sonst beim Aufbau von Knochen oder Schalen in einem Organismus helfen, dienen hier als Gerüst, um die Metallcluster zu formen und auf atomarer Skala zu begrenzen. Anschließend wird das Material so behandelt, dass sich ein „Aerogel“ mit einem erstaunlich hohen Porenanteil – etwa 99 % Luft – bildet. In diesem Gerüst sind die einzelnen Metallteilchen extrem klein, was die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen drastisch vergrößert und so für deutlich schnellere elektrochemische Reaktionen sorgt als bei herkömmlichen Elektroden. Laut Studienautor:in Maher El-Kady ist das Verfahren „überraschend einfach und unkompliziert“, da hauptsächlich weit verbreitete Rohstoffe und moderate thermische Schritte zum Einsatz kommen.

Alte Idee neu gedacht

Der Grundgedanke hinter dieser Strategie ist physikalischer Natur: Je kleiner die Teilchen sind, desto größer ist die relative Oberfläche im Vergleich zur Masse. In einer Batterie bedeutet das, dass mehr Atome gleichzeitig an der elektrochemischen Reaktion beteiligt sein können, was sowohl die Ladegeschwindigkeit als auch die Effizienz steigert. In klassischen Nickel-Eisen-Zellen aus Edisons Zeit war diese Oberfläche deutlich geringer, und die Energieumwandlung verlief entsprechend langsamer. Mit den aktuellen nanostrukturierten Elektroden gelingt es, dass die Zellen innerhalb von Sekunden geladen werden können und nach mehr als 12 000 Lade-Entlade-Zyklen noch funktionsfähig bleiben – ein Lebensdauerpotenzial, das bei täglicher Nutzung weit über drei Jahrzehnte hinausreichen könnte.

Einsatzmöglichkeiten jenseits der E-Mobilität

Trotz dieser Verbesserungen bringt die neue Nickel-Eisen-Batterie nicht die Energiedichte auf die Waage, die moderne Lithium-Ionen-Akkus bieten. In der Elektromobilität mit ihrem hohen Anspruch an Reichweite pro Masseeinheit bleibt die klassische Lithium-Technologie daher bislang überlegen. Die Stärken des Edison-inspirierten Systems liegen vielmehr in seiner Robustheit, den extrem kurzen Ladezeiten und der Fähigkeit, große Energiemengen über lange Zeiträume ohne nennenswerte Degradation zu speichern. Vor diesem Hintergrund sehen die Forscher:innen potenzielle Anwendungen vor allem im Bereich stationärer Energiespeicher etwa zur Speicherung von Solarstrom für die nächtliche Nutzung oder als Notstromversorgung für kritische Infrastrukturen. In solchen Szenarien ist die Lebensdauer oft wichtiger als die Energiedichte, und die spezifischen Eigenschaften der neuen Nickel-Eisen-Batterie könnten deutliche Vorteile bieten.

via California Nanosystems Institute

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