Edisons Pionierarbeit und ihre Grenzen

Thomas Edison entwickelte 1901 die Nickel-Eisen-Batterie mit dem Ziel, eine leistungsfähigere Alternative zu den damals verbreiteten Bleiakkus zu schaffen. Diese neue Batterie bot eine höhere Energiedichte und kürzere Ladezeiten, war jedoch teurer und hatte eine geringere Reichweite. Trotz dieser Einschränkungen fand sie Anwendung in Nischenbereichen wie der Bahntechnik und in unterbrechungsfreien Stromversorgungen.

Wissenschaftliche Durchbrüche durch Nanotechnologie

Ein internationales Forscherteam hat Edisons Konzept nun grundlegend überarbeitet. Die moderne Version der Nickel-Eisen-Batterie nutzt ein poröses Kohlenstoffgerüst, in das Nanocluster aus Nickel und Eisen eingebettet sind. Inspiriert von der Struktur natürlicher Materialien wie Knochen und Muschelschalen, ermöglicht diese Architektur eine extrem hohe reaktive Oberfläche. Dadurch kann die Batterie in Sekundenschnelle geladen werden und bietet eine hohe Energiekapazität.

Materialwissenschaftliche Innovationen

Die Herstellung der neuen Elektroden erfolgt durch die Kombination von Rinderprotein Albumin mit Graphenoxid. Das Albumin dient als „Spacer“, um Nanocluster aus Nickel oder Eisen zu züchten. Nach einem speziellen Backprozess entsteht ein Aerogel, das aus einem dünnen Kohlenstoffgerüst mit eingebetteten Metallclustern besteht. Diese Struktur maximiert die Effizienz der elektrochemischen Reaktionen und verbessert die Leistung der Batterie erheblich.

Leistungstests und Anwendungsbereiche

Erste Tests zeigen beeindruckende Ergebnisse: Die Eisenkathode erreicht eine Kapazität von 93 Milliamperestunden pro Gramm, während die Nickelanode 101 Milliamperestunden pro Gramm erzielt. Kombiniert zu einem Superkondensator-Batterie-Hybrid, bietet die Batterie eine Energiedichte von 47 Wattstunden pro Kilogramm und eine spezifische Leistung von 18 Kilowatt pro Kilogramm. Mit einer Lebensdauer von über 30 Jahren eignet sie sich besonders für stationäre Stromspeicher, etwa zur Speicherung von Windenergie oder als Puffer im Stromnetz.

Bedeutung für die Zukunft der Energiespeicherung

Die Weiterentwicklung der Nickel-Eisen-Batterie könnte einen bedeutenden Beitrag zur nachhaltigen Energiespeicherung leisten. Ihre Langlebigkeit und schnelle Ladefähigkeit machen sie zu einer idealen Lösung für die Herausforderungen der modernen Strominfrastruktur. Zudem könnte sie die Abhängigkeit von seltenen Materialien verringern und die Umweltbelastung durch Elektroschrott reduzieren. Die Forscher arbeiten bereits an kostengünstigeren Alternativen zum verwendeten Rinderalbumin, um die Technologie noch zugänglicher zu machen.