In der Welt der Batterieforschung klingen Schlagzeilen oft nach trockener Chemie. Dagegen ist diese hier doch richtig lebendig. Die Rede ist von einer aktuellen Entwicklung aus den USA, die man doch glatt als "Rindfleisch-Akku" bezeichnen könnte. Doch wer nun glaubt, dass hier saftige Steaks in Batteriegehäuse gepresst werden, liegt falsch. Hinter dem plakativen Namen verbirgt sich ein hochkomplexes, bionisches Verfahren, das uns tief in die Nanotechnologie eintauchen lässt.
Proteine als Architekten
Das Herzstück dieser Innovation ist ein Protein namens Bovines Serumalbumin (BSA), das massenhaft als Nebenprodukt in der Rinderzucht anfällt. Forscher der University of California (UCLA) um Richard Kaner und Maher El-Kady nutzen dieses Protein jedoch nicht als Energieträger, sondern als präzise biologische Architekten. In der herkömmlichen Batterieproduktion stehen Wissenschaftler nämlich oft vor dem Problem, dass Metallpartikel in ihrer Anordnung "verklumpen", was die Effizienz der gesamten Zelle senkt. Das Team der UCLA löst dieses Problem durch einen Trick aus der Natur: Sie nutzen die komplexe Struktur des Proteins als Schablone, in die sich Eisen- und Nickel-Ionen mit atomarer Präzision einnisten können.
Durch ein spezielles Erhitzungsverfahren, die sogenannte Pyrolyse, entsteht daraus ein poröses Gerüst – ein Kohlenstoff-Aerogel, das fast vollständig aus Luft besteht (99 Prozent), aber im Inneren winzige Metall-Nanocluster beherbergt. Während der Erhitzung verbrennt ein Großteil der organischen Materie – übrig bleibt das Gerüst mit Millionen von kleinen Kammern. Diese Cluster sind nur etwa fünf Nanometer groß. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa zehntausendmal dicker. Diese extreme Verkleinerung sorgt für eine gigantische Oberfläche, an der die chemischen Reaktionen stattfinden können. Da fast jedes einzelne Atom für den Ladungsaustausch zur Verfügung steht, arbeitet die Batterie nicht nur effizienter, sondern lässt sich auch in wenigen Sekunden be- und entladen. Dazu garantiert die Struktur eine extreme Langlebigkeit von weit über 12.000 bis theoretisch 30.000 Ladezyklen.
Hybrid aus Batterie und Kondensator
Technisch gesehen handelt es sich bei dem Gerät um eine Hybrid-Konfiguration aus einem Superkondensator und einer Batterie. In der Fachzeitschrift Small berichten die Autoren, dass dieser Aufbau eine spezifische Leistung von 18 Kilowatt pro Kilogramm erreicht. Das bedeutet, dass der Akku enorme Energiemengen in kürzester Zeit freisetzen kann, ohne dabei Schaden zu nehmen. Während herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus oft nach einigen tausend Zyklen schwächeln, zeigt dieser proteinbasierte Speicher dazu eine beispiellose Stabilität – theoretisch über Jahrzehnte hinweg.
Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt in der Materialwahl. Statt auf kritische Rohstoffe wie Lithium oder Kobalt zu setzen, die oft unter problematischen Bedingungen abgebaut werden, nutzt der "Rindfleisch-Akku" mit Eisen und Nickel Materialien, die fast überall auf der Erde reichlich vorhanden sind. Zudem übertrifft die Leistungsfähigkeit der Eisen-Nanocluster sogar etablierte Materialien wie Rutheniumoxid, das bei der Herstellung von Wasserstoff über Sauerstoffevolutionsreaktion genutzt wird.
Technik im E-Auto denkbar?
Trotz dieser Erfolge wird man diesen Akku so schnell nicht in einem Smartphone oder einem Tesla finden. Denn mit einer Energiedichte von etwa 47 Wattstunden pro Kilogramm ist er schlicht noch zu schwer für mobile Anwendungen, da herkömmliche Lithium-Akkus hier etwa das Fünffache leisten. Das wahre Potenzial der Protein-Batterie liegt also eher im stationären Bereich: Als langlebiger Zwischenspeicher für Solaranlagen oder Windparks könnte er etwa bei der Energiewende helfen.
