Die Entwicklung von Kalziumbatterien, die mit Lithiumbatterien konkurrieren können, ist das Forschungsthema von Jean-Yves Sánchez im Rahmen von CONEX, einem Programm zur Gewinnung erfahrener internationaler Forscher. CONEX wird von der Universität Carlos III. Madrid (UC3M), der Europäischen Union (Marie-Curie-Maßnahmen des Programms „Menschen“ im Rahmen des Siebten Rahmenprogramms), dem spanischen Ministerium für Wirtschaft und Wettbewerbsfähigkeit und der Banco Santander finanziert. Sánchez ist Autor von über 140 wissenschaftlichen Artikeln und Inhaber von 43 internationalen Patenten. Er betreute 32 Doktorarbeiten und leitete drei europäische sowie über ein Dutzend nationale und regionale Projekte im Bereich der elektrochemischen Energie.
Worum geht es in Ihrem Forschungsprojekt?
Das ACABA-Projekt (Advanced Calcium Batteries) hat zum Ziel, Calciumbatterien zu entwickeln, die mit Lithiumbatterien konkurrieren können. Um dies zu erreichen, strebt es eine enge Zusammenarbeit zwischen spanischen und französischen Laboren an. Das Projekt befasst sich mit aktuellen Herausforderungen bei der Verbesserung des Managements und der Speicherung sauberer Energie.
Aber Kalziumbatterien gibt es doch schon auf dem Markt, oder?
Ja, Kalziumbatterien existieren, aber sie sind nicht wiederaufladbar. Genau das ist das Ziel des ACABA-Projekts: die Entwicklung einer Kalziumbatterie, die problemlos wiederaufladbar ist.
Was ist das Problem mit herkömmlichen Batterien?
Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit die wichtigsten elektrochemischen Energiespeichersysteme in elektronischen Geräten und im wachsenden Transportsektor. Allerdings sind die Lithiumvorkommen begrenzt und befinden sich in politisch instabilen Regionen. Zudem wird erwartet, dass ihr Preis mit zunehmender Marktdurchdringung steigen wird. Daher ist die Suche nach alternativen Systemen unerlässlich.
Welche Vorteile bieten Kalziumbatterien?
Obwohl Kalziumbatterien bisher wenig Beachtung fanden, machen die hohe Verfügbarkeit von Kalzium, ihre Kapazität und ihr Redoxpotenzial sie zu einem vielversprechenden Kandidaten. Darüber hinaus könnten sie potenziell ähnliche oder sogar höhere Kapazitäten als Lithiumbatterien erreichen.
Was ist das Redoxpotential?
Es ist das elektrochemische Potential einer Reduktion oder Oxidation. Für eine Redoxreaktion benötigt man ein Element, das Elektronen abgibt, und ein anderes, das sie aufnimmt. Im Fall von Calcium beträgt das Standard-Redoxpotential: Ca → Ca²⁺ + 2 e⁻ ungefähr -2,8 V vs. ESH.
Was benötigt man zum Bau einer Kalziumbatterie?
Man braucht lediglich negative und positive Elektroden sowie Kalziumsalze. Kalzium ist in seiner ionischen Form das fünfthäufigste Element und das dritthäufigste Metall in der Erdkruste (nach Masse). Es kommt beispielsweise in Kalziumkarbonat und Gips vor. Außerdem ist es gelöst im Meerwasser und in unseren Knochen enthalten.
Welche Anwendungsmöglichkeiten gäbe es für diese Kalziumbatterien?
Nun, sie könnten ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, also in der Automobilindustrie, in Elektronikgeräten und Smartphones, in stationären Batterien für intelligente Stromnetze, in unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen (USV) usw.
Welche anderen alternativen Batterietypen werden entwickelt?
International suchen zahlreiche Labore nach Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien. Natriumbatterien beispielsweise gibt es schon seit fast vierzig Jahren, doch Forscher beschäftigen sich erneut mit diesem Thema. Darüber hinaus existieren weitere interessante Optionen, wie etwa Magnesiumbatterien oder die Forschung an neuen Elektrolyten, die von Unternehmen wie Toyota vorangetrieben wird.
Welche Methodik planen Sie in Ihrer Forschung anzuwenden?
Der erste Schritt besteht darin, neue polymere und flüssige Elektrolyte zu entwickeln, um eine gute Grenzfläche mit metallischem Calcium zu erzielen und so den reversiblen Betrieb dieser Elektrode zu ermöglichen. Sollte dies nicht möglich sein, werden wir auf andere Alternativen für die negative Elektrode zurückgreifen. Tatsächlich habe ich bereits einen Antrag bei der französischen Nationalen Forschungsagentur (ANR) eingereicht, der die erste Auswahlrunde erfolgreich durchlaufen hat. Das Projekt trägt den Titel „Pionierarbeit für Calciumbatterien“, und ich habe die UC3M in dieses Projekt eingebunden.
Mit welchen Forschern der UC3M arbeiten Sie zusammen?
Derzeit arbeite ich hauptsächlich mit der Gruppe von Professor Alejandro Várez Álvarez (Leiter des Fachbereichs Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie Chemieingenieurwesen an der UC3M) zusammen und kooperiere außerdem mit Professor Juan Baselga (ebenfalls Professor an diesem Fachbereich) im Rahmen eines von mir beantragten europäischen Marie-Curie-Projekts. Die Universität unternimmt diesbezüglich durch die Exzellenzlehrstühle und das CONEX-Programm erhebliche Anstrengungen, das Forschungsniveau zu verbessern.
Was ist die größte Herausforderung bei der Bewältigung dieser Aufgabe?
In diesem speziellen Fall müssen wir in einem absolut wasserfreien Medium arbeiten. Wir besitzen noch keine Trockenbox, und falls wir eine anschaffen würden, wäre es aufgrund des begrenzten Platzes in den Laboren schwierig, einen geeigneten Aufstellungsort zu finden.
Was bietet Ihnen die Forschung an der UC3M?
Sie unterscheidet sich deutlich von meiner Tätigkeit in Frankreich. Dort hatte ich eine Professur als außerordentlicher Dozent am Polytechnischen Institut Grenoble inne und leitete eine Gruppe von etwa 24 Forschern, von denen sechs fest angestellt waren. In Spanien ist die Forschungsstruktur ganz anders als in Frankreich. Und die Zugehörigkeit zum Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie Chemieingenieurwesen an der UC3M, wo Forscher verschiedenster Fachrichtungen zusammenarbeiten, fördert wichtige Kooperationen in einem Feld, das vielfältige Kompetenzen erfordert.
Es scheint ein Wachstumsfeld zu sein, nicht wahr?
Das Thema Energiematerialien ist in Europa und weltweit von großer Bedeutung, und ich bin überzeugt, dass die Fördermittel jährlich steigen werden. UC3M hat das Potenzial, eine führende Position in Europa einzunehmen, und das ist eines meiner Ziele. Ohne mehr Platz und bessere Sicherheit in den Laboren werden wir dieses Ziel jedoch nicht erreichen.
Wenn diese Probleme gelöst sind, wann könnten sie die Kalziumbatterie entwickeln?
Bei einer Hochleistungsbatterie halte ich das für innerhalb von drei Jahren für möglich. Und was wiederaufladbare Batterien angeht, würde ich sagen, dass ein Prototyp innerhalb von drei bis vier Jahren entwickelt werden könnte – allerdings mit einer positiven Elektrode, die eine Alternative zu metallischem Kalzium darstellt.
