Neue Protonenbatterie löst großes Wasserstoff-Problem

Chemiker der australischen Universität UNSW Sydney haben erfolgreich ein organisches Material entwickelt, das Protonen speichern kann. Im Labor bauten sie damit erfolgreich eine wiederaufladbare Protonenbatterie.

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In dem Material namens Tetraamino-Benzochinon können sich Protonen schnell mithilfe eines Netzes aus Wasserstoffbrücken ausbreiten. "Unser Material funktioniert sowohl bei Raumtemperatur, als auch bei Minustemperaturen", sagt Professor Chuan Zhao in einer Aussendung.

Protonen- statt Ionentransport

Im Vergleich zu Lithium-Batterien, die Lithium-Ionen (positiv geladene Lithium-Atome) zwischen Anode und Kathode transportieren, transportiert die Protonenbatterie Wasserstoff-Ionen. Da ein Wasserstoffatom allerdings nur aus einem Proton und einem Elektron besteht, bleibt dabei nur noch das Proton übrig, wenn man das Elektron wegnimmt.

"Lithium ist allerdings eine endliche Ressource, die nicht gleichmäßig auf der Erde verteilt ist, sodass einige Länder möglicherweise keinen Zugang zu kostengünstigen Lithiumquellen haben. Lithium-Batterien stellen auch eine große Herausforderung dar, wenn es um Schnellladeanwendungen und Sicherheit geht, und sie haben einen geringen Wirkungsgrad bei niedrigen Temperaturen", zählt Forscher Sicheng Wu die Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien auf.

Alternativen zu Lithium-Batterien gesucht

Daher suchen Forscher fieberhaft nach Alternativen. Protonenbatterien werden als potenzielle Lösung der nächsten Generation von Energiespeicher gepriesen. Ihr Vorteil ist, dass Protonen so klein und leicht sind, dass sie einfach von einer Elektrode zur anderen fließen können. Sie bieten dadurch eine hohe Leistung und lassen sich auch sehr schnell wieder aufladen. Zudem sind Protonen im Vergleich zu Lithium relativ günstig.

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Die Elektroden der Protonenbatterien bestehen allerdings immer noch aus Metallen, die schwer und teuer sind. Organische Elektroden existieren zwar, arbeiten allerdings nur in einem begrenzten Spannungsbereich.

Gute Leistung und hohe Kapazität

Ihre organische Batterie mit Tetraamino-Benzochinon-Kathode zeigte allerdings eine gute Leistung, hohe Kapazität und eine lange Lebensdauer (3.500 Zyklen). Außerdem ist sie im Gegensatz zu Lithium-Batterien nicht entflammbar. "Zwischen den Elektroden befindet sich als Elektrolyt eine Wasserlösung, was unsere Batterie leicht und kostengünstig macht", so Professor Zhao.

Die organischen Elektroden seien momentan zwar noch recht teuer zu produzieren, sie bestehen allerdings aus reichlich vorkommenden, günstigen Materialien. Werden größere Mengen davon hergestellt, würde das den Preis deutlich drücken.

Wasserstoffschwamm

Die Entwicklung eines Materials, das Protonen speichern kann, könnte auch ein großes Problem von Wasserstoff lösen. "Molekularer Wasserstoff (H2) ist sehr reaktiv und daher schwer zu speichern und zu transportieren. Das ist derzeit ein Problem für die Wasserstoffindustrie", so Forscher Wu. "Wasserstoff tritt jedoch auch in einer stabilen Form auf: als Proton (H+)."

Aus dem Material könnte auch eine Art Wasserstoffschwamm gemacht werden, mit dem Wasserstoff um die Welt transportiert und dort entnommen werden kann, wo er gebraucht wird. "Unser Material würde das möglich machen", so Wu.