Angesichts des wachsenden Anteils erneuerbarer Energien, die oft schwankend sind, wird der Bedarf an stationären Speicherlösungen immer dringlicher. Die Idee, Energie in Beton zu speichern, ist zwar nicht neu, blieb jedoch lange Zeit marginal, da die Leistung unbefriedigend war und sich meist auf thermische Speicherung beschränkte.
Ein Zn-MnO2-Elektrochemiesystem ist in eine feste Geopolymer-Matrix auf Basis von Metakaolin integriert. Diese Architektur ermöglicht die Speicherung und Rückgewinnung von Energie direkt aus dem Baumaterial und ebnet den Weg für Gebäude, die Strom in ihren Wänden speichern können.
© Kovrugin et al.
Inspiriert von Geopolymeren, die bereits als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichem Zement in Beton verwendet werden, haben Wissenschaftler ein neues, wesentlich effizienteres elektrochemisches System entwickelt, das chemische Energie direkt in Strom umwandelt. Diese Technologie könnte beispielsweise ermöglichen, Strom aus Solarpanels oder Windrädern direkt in den Wänden von Gebäuden zu speichern, um ihn später zu nutzen.
Forscher des Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP) haben in Zusammenarbeit mit dem spanischen Centro de física de materiales einen wichtigen Schritt gemacht, indem sie eine Festkörperbatterie entwickelten, deren Elektrolyt ein Metakaolin-basiertes Geopolymer ist – ein anorganisches Aluminosilikat-Polymer, das durch das Brennen von Ton gewonnen wird. Dieses Geopolymer, bekannt für seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften, ist eine ökologische Alternative zu gewöhnlichem Portlandzement als Betonbindemittel, da bei seiner Herstellung deutlich weniger CO₂ ausgestoßen wird.
Die wiederaufladbare Batterie des Teams ist eine Zn-Ionen-Batterie, die diese Geopolymer-Matrix als Elektrolyt verwendet, der klassische Elektroden aus Zink (negative Elektrode) und Mangandioxid (positive Elektrode) trennt. Durch eine Zinksulfatlösung aktiviert, enthält die poröse Matrix eine restliche Flüssigphase, die den Transport von Zn2+-Ionen zwischen den Elektroden ermöglicht.
Das Ergebnis: eine Energiedichte von 3,3 Wh/L – viermal höher als bei herkömmlichen Portland-Zement-Systemen (0,8 Wh/L). Zwar ist diese Dichte deutlich geringer als bei konventionellen Li-Ionen-Batterien (~570 Wh/L), doch da der Speicher direkt in die Struktur integriert ist, gleicht dies die geringere Dichte weitgehend aus.
Noch im Grundlagenstadium, müssen technische Herausforderungen wie die Verbesserung der Stabilität der Zinkelektroden und die mechanischen Eigenschaften des festen Elektrolyten bewältigt werden. Doch angesichts der raschen Fortschritte bei wässrigen Zn-Ionen-Batterien und der zunehmenden Anwendung von Geopolymeren in der Bauindustrie scheinen diese Hürden überwindbar.
Langfristig könnte dieses neue Konzept, das in Materials Horizons veröffentlicht wurde, die Entwicklung von Plusenergiehäusern begleiten, in denen Wände selbst den vor Ort erzeugten Strom speichern. Was, wenn die Energie der Zukunft in den Ziegeln von morgen steckt?