Die Batterien der Zukunft: Aktuelle Entwicklungen

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Die Forschung arbeitet an Batterietypen, die Lithium-Ionen-Batterien ablösen sollen. Dabei geht es vor allem um Alternativen zu kritischen Rohstoffen.

Wie sieht die ideale Batterie aus? Sie ist langlebig, nachhaltig, sicher, lässt sich schnell aufladen und kostet wenig. So etwas gibt es noch nicht. Für den Sprung ins Zeitalter der Elektromobilität und der erneuerbaren Energien brauchen wir aber neue Batterietechnologien, vor allem solche, die möglichst ohne kritische Rohstoffe auskommen.

Warum wir Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien brauchen

Aktueller Marktführer ist die Lithium-Ionen-Batterie, sie steckt in jedem Smartphone, Laptop und Elektroauto. Die Umstellung auf saubere Energie und auf einen weltweit emissionsfreien Straßenverkehr mit Elektrofahrzeugen ist aber mit Lithium-Batterien allein nicht zu schaffen. Denn die Technologie bringt – neben all ihren Vorteilen – auch einige Probleme mit sich.

Das größte Problem bei Lithium-Ionen-Akkus sind die Grundstoffe, aus denen sie bestehen. Für ihre Leistung ist das Kathodenmaterial entscheidend, und das ist in den meisten Fällen Lithium-Kobaltoxid. Kobalt wird aber erstens zum großen Teil durch Kinderarbeit abgebaut, und ist zweitens giftig, selten und teuer. Wenn der Bedarf steigt – wozu nicht nur die Batterieindustrie beiträgt, sondern auch die Stahlindustrie, die das Element ebenfalls benötigt – wird Kobalt bald unbezahlbar sein.

Quelle: tradingeconomics.com

Ansätze für weniger Kobalt in den Batterien

Deshalb wird schon länger an Batterien geforscht, die mit weniger oder ganz ohne Kobalt auskommen. Tesla und Panasonic haben den Kobalt-Anteil in ihren Batteriezellen schon stark reduziert. Es laufen Versuche, Kobalt durch Nickel oder Mangan zu ersetzen, doch das geht nur bis zu einem bestimmten Punkt. Ein Unternehmer aus den USA hat ebenfalls kürzlich eine neue Methode vorgestellt, die den Bedarf an Kobalt in Batterien auf ein absolutes Minimum senken kann.

Ein weiterer Ansatz der Batterieforschung ist es, Kobalt in heutigen Lithium-Batterien durch sogenannte Konversions-Materialien wie Kupfer- und Eisenfluoride sowie Silizium zu ersetzen. Kathoden aus diesen Materialien können bis zu sechsmal mehr Lithium-Ionen speichern. Das liegt daran, dass sie die Ionen chemisch speichern, statt sie physikalisch in den Elektroden festzuhalten. Das Problem bei diesem Ansatz ist die extrem lange Ladezeit der Batterien. Außerdem überstehen sie statt tausende (wie aktuelle Lithium-Ionen-Akkus) maximal einige hundert Ladezyklen.

So oder so bleibt das Problem mit dem Lithium: Dessen Abbaumenge müsste sich verzehnfachen, um mit der Elektromobilität Schritt zu halten. Der Abbau geht an vielen Orten auf Kosten der Umwelt, etwa in Bolivien, wo der wertvolle Rohstoff aus einem Salzsee gefördert wird. Auch bei Lithium droht eine Verknappung.

Welche Möglichkeiten Natrium und Magnesium bieten

Eine realistische Alternative zur Lithium-Technologie sind Batterien, die auf gut verfügbaren Elementen wie Magnesium, Aluminium, Natrium oder Kalzium basieren. Dabei sind Natrium-Ionen-Batterien aktuell am vielversprechendsten. Sie funktionieren ähnlich wie Lithium-Ionen-Akkus, brauchen aber kein Kobalt als Kathodenmaterial. Natrium-Batterien sind recyclingfähig und günstig, da Natrium (Kochsalz) zum Beispiel in Meerwasser vorkommt. Ihr Nachteil ist, dass ihre Energiedichte nicht an die von Lithium-Akkus herankommt, weshalb sie für den Einsatz im Elektroauto nicht besonders gut geeignet sind. Für größere Anwendungen wie stationäre Stromspeicher sind sie aber eine vielversprechende Alternative. Das Fraunhofer IKTS hat vor kurzem den stationären Stromspeicher cerenergy vorgestellt, der mit Natrium-Nickelchlorid-Zellen arbeitet.

Neben Natrium setzen Forscher für das Post-Lithium-Zeitalter auch auf Magnesium. In Magnesium-Schwefel-Batterien übernimmt Magnesium die Rolle von Natrium. Damit sind theoretisch höhere Speicherdichten möglich als mit der Lithium-Ionen-Technologie. Auch Magnesium ist sehr gut verfügbar, genauso wie Schwefel. Bis Magnesium-Schwefel-Batterien im Elektroauto verbaut werden können, müssen auch sie noch weiterentwickelt werden. Stichworte sind hier eine höhere Zyklenfestigkeit und eine bessere Energieeffizienz.

Eine andere Variante sind Magnesium-Luft-Batterien, die elektrische Energie durch die Reaktion von Magnesium mit Sauerstoff freisetzen. Der Sauerstoff kommt aus der Umgebungsluft. Dadurch sind höhere Energiedichten möglich, weil der Sauerstoff nicht in der Batterie vorgehalten werden muss. Doch auch hier ist die Lebensdauer der Batterie noch nicht ausreichend.

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