Eine der größten Herausforderungen bei der Nutzung von Wasserstoff ist seine Speicherung, die in der Regel extrem niedrige Temperaturen (-252,8 °C) und hohe Drücke (350 bis 700 bar) erfordert. Anstatt Wasserstoff als Gas oder Flüssigkeit zu speichern, ist es effektiver, ihn in festen Materialien wie Magnesiumhydrid (MgH2) zu speichern, das eine hohe theoretische Speicherkapazität aufweist. Dieses Material kann in ein batterieähnliches System integriert werden, in dem nicht nur Elektronen bewegt werden, sondern auch Wasserstoff selbst gespeichert und beim Laden und Entladen freigesetzt wird.
Neu: feste Elektrolyten
Bis vor kurzem war dieser Ansatz durch die Notwendigkeit hoher Betriebstemperaturen von über 300 °C, die schlechte Reversibilität der Wasserstoffabsorption und -desorption sowie unerwünschte Nebenreaktionen, die die Leistung beeinträchtigten, eingeschränkt. In einer bedeutenden Entwicklung, die die Tür zu praktischen Anwendungen öffnen könnte, haben Forscher des Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, eine Wasserstoffbatterie entwickelt, die bei viel niedrigeren Temperaturen, etwa 90 °C, betrieben werden kann. Die Studie wurde von einem Forscherteam unter der Leitung von Dr. Takashi Hirose, Assistenzprofessor Naoki Matsui und Institutsprofessor Ryoji Kanno am Forschungszentrum für Festkörperbatterien in Science Tokyo durchgeführt.
„Wir haben den Betrieb einer Mg-H2-Batterie als sicheren und effizienten Wasserstoff-Energiespeicher mit hoher Kapazität, niedriger Temperatur und reversibler Wasserstoffgasaufnahme und -abgabe demonstriert“, sagt Matsui.
Die Neuheit dieser Batterie liegt in ihrem festen Elektrolyten, Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, der Wasserstoffionen, insbesondere Hydridionen (H-), effizient transportieren kann. Dieses Material hat eine Kristallstruktur vom Anti-α-AgI-Typ, die für ihre superionische Leitfähigkeit bekannt ist. In dieser Struktur nehmen Barium, Kalzium und Natrium körpermittele Positionen ein, während sich H- durch flächenteilende tetraedrische und oktaedrische Plätze bewegt, so dass sie frei wandern können. Tests haben gezeigt, dass das Material bei Raumtemperatur eine hohe Ionenleitfähigkeit (2,1 × 10-5 S cm-1) und elektrochemische Stabilität aufweist, was das System für die langfristige Speicherung und Abgabe von Wasserstoff geeignet macht.
Die Batteriekonstruktion verwendet MgH2 als Anode und Wasserstoff (H2) als Kathode. Während des Ladens setzt MgH2 H- frei, das durch den Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85-Elektrolyten zur H2-Elektrode wandert, wo es oxidiert wird und H2-Gas freisetzt. Bei der Entladung erfolgt der umgekehrte Vorgang: H2-Gas wird an der Kathode zu H- reduziert, das durch den Elektrolyten zur Anode wandert und mit Mg zu MgH2 reagiert.
Dieser Prozess ermöglicht es der Zelle, H2 zu speichern und bei Bedarf wieder freizusetzen, und das bei überschaubaren Temperaturen unter 100 °C. Mit dieser Zelle konnten die Forscher die volle theoretische Speicherkapazität von MgH2, etwa 2.030 mAh g-1, was 7,6 Gew.-% H2 entspricht, über wiederholte Zyklen erreichen.
Batterie soll wasserstoffbetriebene Zukunft ermöglichen
Herkömmliche Festkörper-Wasserstoffspeichermethoden stießen bisher auf erhebliche Einschränkungen. Die wärmegetriebene Absorption und Desorption erforderte sehr hohe Betriebstemperaturen zwischen 300 und 400 °C, um Wasserstoff freizusetzen oder einzufangen, was den Prozess energieintensiv und für den täglichen Gebrauch unpraktisch machte. Ein alternativer Ansatz zur elektrochemischen Speicherung mit flüssigen Elektrolyten bei niedrigeren Temperaturen litt unter dem schlechten Wasserstoff-Ionen-Transport, was bedeutete, dass die Materialien nicht annähernd ihre theoretische Speicherkapazität erreichen konnten. Infolgedessen waren beide Ansätze nicht in der Lage, eine effiziente, reversible und Niedrigtemperaturlösung für die Wasserstoffspeicherung zu bieten.
„Diese Eigenschaften unserer Wasserstoffspeicherbatterie waren mit herkömmlichen thermischen Methoden oder flüssigen Elektrolyten bisher unerreichbar und bieten eine Grundlage für effiziente Wasserstoffspeicher, die als Energieträger eingesetzt werden können“, erklärt Hirose.
Eine solche Batterie könnte der Schlüssel zu einer wasserstoffbetriebenen Zukunft sein, die wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und kohlenstofffreie Industrien ermöglicht.
