Batterieforschung: Förderung von Forschung an alternativen Stromspeichern

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Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt die Batterieforschung in Deutschland mit dem Programm „Batterie 2020“. Ein wichtiger Teil der Initiative sind neue Batterietypen, bei denen es noch viel Forschungsbedarf gibt. Theoretisch hat jede dieser neuen Batterien das Potential, Lithium-Ionen-Akkus abzulösen. Diese Batterietypen stehen im Fokus.

Mitteltemperatur-Thermalbatterien

Thermalbatterien werden mit höheren Temperaturen als Zimmertemperatur betrieben. Sie verfügen über eine eingebaute Vorrichtung, die die Batterie auf etwa 300 Grad aufheizt. Dann werden beispielsweise die Aktivmaterialien der Elektroden oder der Elektrolyt leitfähig bzw. schmelzen.

Thermalbatterien basieren auf gut verfügbaren Materialen und sind effizient und langlebig. Wegen der hohen Temperaturen sind sie aber nicht immer wirtschaftlich: Wärmenergie geht verloren, und das Gehäuse muss aufwendig abgedichtet werden. Diese Faktoren verringern die Energiedichte und erhöhen die Kosten. Deshalb sind Thermalbatterien aktuell nur für große Batteriespeicher mit einer Leistung im Megawatt-Bereich geeignet.

Die Initiative Batterie 2020 beschäftigt sich mit neuen Ansätzen, um Thermalbatterien auch bei niedrigeren Temperaturen zu betreiben. Das würde die Dämmung vereinfachen. Teilweise wird auch an geeigneteren Separatoren geforscht und an einer besseren Effizienz. Gelingt es, könnten Thermalbatterien auch kleiner ausfallen und möglicherweise sogar als Heimspeicher dienen.

Metall-Schwefel-Batterien

Eine weiterer Batterietyp, der noch in der Entwicklung ist, sind nicht-thermale Metall-Schwefel-Batterien. Sie lassen sich anders als thermale Metall-Schwefel-Batterien schon bei Raumtemperatur betreiben. Am weitesten fortgeschritten sind hier Lithium-Schwefel-Batterien.

Lithium-Schwefel-Batterien basieren auf dem reichlich vorhandenem Schwefel und sind deshalb sehr kostengünstig. Kritische und seltenere Rohstoffe wie Kobalt und Nickel, die in gängigen Lithium-Ionen-Akkus enthalten sind, fallen weg. Lithium-Schwefel-Batterien sind allerdings deutlich größer als Lithium-Ionen-Systeme, weil ihre Energiedichte geringer ist – die Energiedichte von gängigen Lithium-Ionen-Batterien beträgt fast das Zehnfache. Dennoch sind Lithium-Schwefel-Batterien für die Batterieforschung interessant, weil sie durch den Verzicht auf Nickel und Kobalt theoretisch 20 Prozent günstiger sind als Lithium-Ionen-Batterien. Ein noch zu lösendes Problem bei Lithium-Schwefel-Batterien ist ihre kurze Lebensdauer, die auf unerwünschte Nebenreaktionen in der Batterie zurückzuführen ist.

Magnesium-Schwefel-Batterien: Auch dieser Batterietyp ist sehr günstig und sicher im Betrieb. Er basiert mit Schwefel und Magnesium ebenfalls auf gut verfügbaren Materialien, die im besten Fall nur einen Bruchteil der Batteriematerialien für Li-Io-Systeme kosten. Doch auch dieser Batterietyp ist noch nicht serienreif.

Metall-Luft-Batterien

Das Interessante an Metall-Luft-Batterien ist, dass sie Energie aus der Reaktion von Metallen mit Sauerstoff erzeugen. Weil der Reaktionspartner Sauerstoff nicht in der Batterie vorgehalten werden muss, sondern sich in der Umgebungsluft befindet, kann die Batterie insgesamt kleiner ausfallen. Bei gleicher Größe ist demnach die Energiedichte der Batterie höher. Metall-Luft-Batterien erlauben deshalb theoretisch höhere Reichweiten von Elektroautos und eine längere Nutzungsdauer von Elektrogeräten.

Insgesamt haben Metall-Luft-Batterien aber eine zu kurze Lebensdauer und sind deshalb noch keine echte Alternative. Am leistungsfähigsten von allen Metall-Luft-Batterien sind Lithium-Luft-Batterien. Sie erreichen in der Theorie die höchste Energiedichte, die zehn Mal so hoch wie bei aktuellen Lithium-Ionen-Systemen sein kann. Deshalb läuft die Forschung an Lithium-Luft-Batterien auf Hochtouren. Zink-Luft-Batterien dagegen werden bereits eingesetzt, etwa in Hörgeräten, sie lassen sich allerdings nicht wieder aufladen. Hier geht es in der Forschung vor allem darum, eine aufladbare Variante zu entwickeln.

Metall-Ionen-Batterien

Ebenfalls interessant sind Metall-Ionen-Batterien, bei denen nicht Lithium, sondern andere Metalle zum Einsatz kommen. Diese Metalle lagern Metall-Ionen ein und bilden mit ihnen sogenannte Interkalationsverbindungen. Dabei werden nicht die Metall-Ionen reduziert, sondern das Elektrodenmaterial und die Metall-Ionen werden als Ionen eingelagert statt als chemische Verbindung oder Metall. Jedes Metall hat andere Eigenschaften und damit Vor- und Nachteile wie Gewicht, Größe, Kosten oder Verfügbarkeit der Metalle. In der Entwicklung sind beispielsweise Aluminium-Ionen-Batterien oder Natrium-Ionen-Batterien. Im Rahmen von Batterie 2020 sollen nun die Systeme erprobt werden, die am aussichtsreichsten sind.

Lithium-Metall-Anoden

Ein weiteres vielversprechendes Forschungsgebiet sind Lithium-Metall-Anoden für Batterien. Sie können theoretisch die Energiedichten stark erhöhen, weil im Gegensatz zu aktuell verbreiteten Anoden aus Graphit kein Gitter vorhanden ist, in das Lithium ein- und ausgelagert wird. Das spart Platz und Gewicht. Um Lithium-Metall-Anoden in sekundären Batteriezellen einzusetzen, müssen Forscher ebenfalls erst noch unerwünschte Nebenreaktionen eliminieren.

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