Bild: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Batterieforschung

„Reserven für 450.000 Jahre“

Lithium-Ionen-Akkus sind bislang beim Speichern von Strom unverzichtbar. Sie müssen noch besser werden und wir brauchen Alternativen. Die Forschung daran macht große Fortschritte.

Akku-Technologie gilt als entscheidender Schlüssel im Kampf gegen den Klimawandel und für die Energieversorgung von portablen und mobilen Anwendungen. So erhielten die Batterieforscher John Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino im Oktober den Nobelpreis für Chemie. Sie werden damit für ihre Beiträge zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Speichern geehrt. Die Technik ermögliche eine Welt frei von fossilen Kraftstoffen, lautete die Begründung. Bislang stellen Akkus allerdings auch eine Belastung für die Umwelt dar: Vom Abbau der – teilweise knappen – Rohstoffe bis zum Recycling besteht Handlungsbedarf. Dies wird umso dringlicher, wenn künftig E-Autos die bisherigen Verbrennungsmotoren ablösen. 

Um ein E-Auto zu bauen, wird wegen des Akkus derzeit noch mehr CO2 freigesetzt, als für die Produktion eines Pkw mit Benzin- oder Dieselmotor. „Nach zwei Jahren Betrieb hat sich dieser erhöhte Verbrauch aber amortisiert, weil der E-Antrieb wesentlich effizienter ist – insbesondere auf Basis von Strom aus erneuerbaren Energien“, erläutert Maximilian Fichtner. Der Wissenschaftler vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist Direktor der Forschungsplattform Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe (CELEST). 2017 wurden im Verkehrssektor durch Verbrennungsmotoren umgerechnet rund 770 Terrawattstunden (TWh) Strom verbraucht. „Diese haben einen Wirkungsgrad von gerade mal 20 bis 25 Prozent“, so Fichtner. „Batterien haben dagegen einen Wirkungsgrad von 70 bis 75 Prozent.“ Für dasselbe Verkehrsaufkommen würde bei 100 Prozent E-Antrieb auf den Straßen also nur ein Drittel der bisherigen Energie benötigt. „Dennoch müssen die Akkus noch besser werden“, betont der Forscher, „insbesondere, wenn sie künftig in noch viel größerem Umfang eingesetzt werden“.

Im Vergleich zu älteren Typen punkten Lithium-Ionen-Batterien sowohl mit einer hohen Energiedichte, als auch mit ihrer Speicherleistung, die über viele Ladezyklen hinweg erhalten bleibt. Ein Akku besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden, der Anode (Minuspol) und der Kathode (Pluspol), die ein Elektrolyt trennt. Beim Entladen gibt die Anode Elektronen an die Kathode ab, wobei der Elektrolyt umgangen wird; zeitgleich fließen positive Lithium-Ionen aus der Anode durch den Elektrolyten zur Kathode. Beim Laden wiederum wird von außen eine Spannung angelegt, wodurch wiederum an der Anode Elektronenüberschuss entsteht. Die Lithium-Ionen wandern nun von der Kathode zur Anode. Ein Haken: In Lithium-Ionen-Batterien werden in der Regel Mischoxide wie Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt eingesetzt. „Rohstoffe wie Kobalt werden seltener und teurer – zudem ist Kobalt giftig und sein Abbau ist fragwürdig“, sagt Fichtner. „Deshalb arbeiten wir an technischen Lösungen, bei denen diese Stoffe in geringerem Umfang oder gar nicht mehr benötigt werden.“

Die erste Generation der Lithium-Ionen-Speichern bestand noch zu 100 Prozent aus Lithium, jetzt liegt der Anteil bei 10 bis 20 Prozent, „künftig sind 5 Prozent und weniger realistisch“, so Fichtner. Um künftig Speicher bauen zu können, deren Kapazität deutlich größer ist, wollen die Forscher unter anderem das Graphit in der Anode ersetzen und es rücken Lösungen auf Basis anderer Grundbausteine in den Fokus. So experimentieren die Wissenschaftler auch mit Natrium-, Magnesium-, Kalium- und Aluminium-Ionen. „Batterien auf Basis von Natrium-Ionen werden schon in ein bis zwei Jahren marktreif sein“, prognostiziert der Wissenschaftler. Diese seien etwas größer und schwerer als Lithium-Ionen-Akkus, also vor allem für den stationären Einsatz interessant. Der öffentliche Fokus liegt zwar auf Smartphones und E-Autos. Doch wenn seltene Rohstoffe wie Lithium zumindest stationär ersetzt werden, ermöglicht das deren Einsatz eben dort in größerem Umfang.

Ein hohe Energiedichte versprechen darüber hinaus vor allem Batterien auf Basis von Magnesium und Calcium. „Von den theoretischen Werten könnten die Lithium-Ionen-Technologie zumindest in einigen Bereichen ablösen“, betont Fichtner. „Calcium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste. Es ist gleichmäßig auf der Erde verfügbar und bietet den Vorteil sicher, ungiftig und kostengünstig zu sein.“ Bei der Entwicklung gab es bislang eine große Hürde: Es existierten bislang keine praktikablen Elektrolyte, um wiederaufladbare Calciumbatterien herzustellen. Sie ließen sich erst bei Temperaturen jenseits der 75 Grad Celsius laden und waren dabei noch anfällig für unerwünschte Nebenreaktionen. „Nun haben wir eine Klasse neuer Elektrolyte auf Basis spezieller, organischer Calciumsalze synthetisiert, mit denen Ladevorgänge auch bei Zimmertemperatur möglich sind“, berichtet Fichtner.

Neben den kurz- und mittelfristigen eröffnen die Forscher am KIT auch langfristige Perspektiven. „Magnesium-Schwefel-Batterien würden uns einen sehr großen Schritt nach vorne bringen“, so Fichtner. Bislang jedoch mache die Schwefelkathode Probleme, sie „blutet aus“. Wird diese Aufgabe einmal gelöst, hat sich die Rohstofffrage erledigt. Die weltweiten Lithiumvorräte könnten schon 30 bis 50 Jahren erschöpft sein. Magnesium hingegen ist weltweit in großen Mengen verfügbar. „Die schwäbische Alb besteht zu 20 Prozent aus Magnesium“, sagt Fichtner. „Weltweit würden alleine die leicht zugänglichen Reserven für 450.000 Jahre reichen.“ 

13.12.2019 , Lars Klaaßen

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