Wissenschaftler suchen nach einem Typ von kostengünstigem und leistungsstarkem Energiespeicher, der in Zukunft einmal die derzeit noch gängigen Lithium-Ionen-Akkus ersetzen könnte – unter anderem deshalb, weil Lithium als Rohstoff in der Zukunft deutlich teurer werden könnte und der Akkutyp als technisch ausgereizt gilt. Eine der vielen dabei angedachten Alternativen sind Kalium-Sauerstoff-Akkus, die unter anderem von einem Team an der Ohio State University seit einigen Jahren erforscht und verbessert werden. Bisher haben diese Akkus noch einige Kinderkrankheiten und Nachteile gehabt – einen wichtigen Schritt vorwärts ist das Team nun aber womöglich gekommen, berichtet es im Fachblatt »Batteries and Supercaps«.

Energiespeicher erzeugen Strom durch eine Verschiebung geladener Teilchen: Beim Entladen wandern positive Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten von einer Elektrode (der Anode) zur anderen (der Kathode). Die dort gesammelten positiven Ladungen ziehen dann die negativ geladene Elektronen an, die über die Stromleitung fließen. Alternative Akkus sollen nun Lithium als wandernde Ionen, den Elektrolyten oder das Design von Elektroden ersetzen, die bisher noch zu oft mit Konfliktmaterialien wie Kobalt gebaut werden. Als Kennzeichen der Kalium-Sauerstoff-Batterien gilt, dass sie zwar nur eine vergleichsweise niedrige theoretische Energiedichte erreichen, dabei aber wegen ihrer wenig kostspieligen Inhaltsstoffe günstig sind, mit den gängigen Zelltypen von Batterien funktionieren und wahrscheinlich langlebig einsetzbar wären. Als Hauptproblem der so genannten atmenden Batterientypen mit Sauerstoff gilt aber, dass O₂ aus der Luft beim Ladevorgang zwar den Ladungsträger – hier Kalium – oxidieren soll, dabei aber nicht mit dem Kohlenstoff in der Anode reagieren darf. Dies war allerdings bislang kaum zu vermeiden – und so sank bei Prototypen die Kapazität nach schon etwa fünf bis zehn Ladevorgängen auf null, berichten Vishnu-Baba Sundaresan und Paul Gilmore.

Als Lösung haben Ingenieure seit einiger Zeit Filter um die Elektrode im Blick, die zwar die Passage von Kalium zur Kathode erlauben, den Sauerstoffmolekülen aber den Durchtritt zur Anode verwehren. Ein solches Filtersystem aus geschichteten, unterschiedlich stark aufquellenden Polymeren haben die Forscher nun entwickelt: In ersten Versuchen half es dabei, das Maximum möglicher Ladezyklen auf immerhin 125-mal zu erhöhen. Die Lebensdauer des Systems stieg also etwa um das Zwölffache. Die bisher kleinen Prototypen seien allerdings noch längst nicht sinnvoll einsetzbar, geben die Wissenschaftler zu bedenken: Zwar funktioniere der Ansatz, nun müssten aber zunächst größere Modelle mit höheren Kapazitäten gebaut werden, denn die stabilen und günstigen Kalium-Batterien eignen sich für besonders große Energiespeicher.