Batterien der Zukunft


Mit der schrittweisen Einführung der Elektromobilität steht die Batterietechnologie vor enormen Herausforderungen. Heute beherrschen noch die Lithium-Ionen-Batterien den Weltmarkt. Allerdings ist absehbar, dass diese Batterietechnologie langfristig nicht in der Lage ist, den immer weiter steigenden Energiebedarf in der Zukunft allein zu decken. Einerseits ermöglicht ihre ausgereifte Technologie kaum noch Optimierungsmöglichkeiten und andererseits werden solche notwendigen Rohstoffe wie Lithium oder Kobalt immer knapper und damit auch teurer. Außerdem erfordert die Elektromobilität Akkus mit einer höheren Energiedichte, einer schnelleren Ladezeit, einer längeren Lebensdauer, einer größeren Sicherheit und einer höheren Anzahl von Ladezyklen. Eine wichtige Rolle dabei spielen natürlich auch die Kosten.

Bisher ist noch nicht klar, welche Zukunftstechnologien sich auf diesem Gebiet durchsetzen werden. Die folgende Kurzübersicht soll einen Einblick über einige wichtige Entwicklungen geben:

  • Kobaltarme Lithium-Ionen-Batterien
  • Natrium- oder Magnesiumakkus
  • Silizium als Alternative zu Grafit
  • Feststoffbatterien
  • Graphen-Batterien

Kobaltarme Lithium-Ionen-Batterien

Das Lithium-Ionen-System ist heute auf Kobalt angewiesen, welches sich in der Kathode befindet. Der Abbau von Kobalt wird immer schwieriger und erfolgt hauptsächlich in den afrikanischen Staaten Kongo oder Sambia. Die daraus folgende Verknappung führt in der Zukunft zur Verteuerung dieses Rohstoffs. Außerdem ist auch die Giftigkeit des Metalls nicht zu unterschätzen. Kobalt kann aber durch das wesentlich häufigere Nickel oder Mangan ersetzt werden. Da bei dieser Technologie die gleiche Materialklasse verwendet wird, ändert sich wenig an der Technologie. Die nutzbare Kapazität erhöht sich dabei sogar. Allerdings werden durch den Ersatz von Kobalt durch Nickel derzeit noch die Langzeitstabilität und die Sicherheit der Batterie herabgesetzt. Diese Nachteile müssen mit anderen Veränderungen abgefangen werden. Der Einsatz von Batterien mit einem wesentlich kleineren Kobaltanteil unter zehn Prozent in Elektroautos ist daher noch nicht absehbar.

Natrium- oder Magnesiumakkus

Lithium ist zwar ideal für den Einsatz in Batterien, weil es sich um kleine Ionen handelt, die sich schnell im Elektrolyt bewegen können. Daher kann eine hohe Energiedichte erreicht werden. Aber auch Lithium stellt einen knappen Rohstoff dar, der in Zukunft auch immer teurer wird.

Zu den Vorteilen von Natrium-Batterien zählen die ständige Verfügbarkeit von Natrium aus Kochsalz (NaCl), der Verzicht auf Kobalt und die geringen technisch notwendigen Veränderungen. Außerdem handelt es sich um ein technisch sehr stabiles System mit hohem Wirkungsgrad. In Elektroautos können diese Akkus derzeit jedoch auch noch nicht eingesetzt werden, weil Natrium die hohe Energiedichte von Lithium nicht erreicht. In den Energiespeichern von Windkraft- oder Solaranlagen sind Natriumbatterien aber langfristig die bessere Alternative.

Bei Elektroautos könnte in Zukunft aber Magnesium eine große Rolle spielen. Mit den sogenannten Magnesium-Schwefel-Batterien wurden in wissenschaftlichen Untersuchungen sogar höhere Energiedichten als bei Lithium-Ionen-Batterien erreicht. Außerdem ist Magnesium in der Natur auch reichlich vorhanden. Allerdings ist die Beweglichkeit der Magnesiumionen gegenüber Lithiumionen sehr gering. Weitere Forschungen müssen zeigen, wie diese Beweglichkeit durch den Einsatz von geeigneten Elektrolyten optimiert werden kann. Damit könnten die Energieeffizienz und die mögliche Anzahl der Ladezyklen erhöht werden.

Silizium als Alternative zu Grafit

Am Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität in Kiel (CAU) werden Untersuchungen durchgeführt, die zeigen sollen, welche Auswirkungen der vollständige Austausch von Grafit durch Silizium in Lithium-Ionen-Batterien haben. Silizium besitzt wesentlich bessere Energiespeicherkapazitäten als die herkömmlichen Materialien. Es kann zehnmal mehr Energie speichern als Grafit. Außerdem ist es in der Natur in ausreichenden Mengen vorhanden. Der größte Nachteil ist jedoch die Instabilität der Siliziumanoden. Weil sie Lithium speichern, dehnen sie sich bei den Ladezyklen bis zum Zerbrechen aus. So wäre der Einsatz von Silizium zwar eine der besten Alternativen zur herkömmlichen Lithium-Ionen-Technologie. Aber die Lebensdauer der entsprechenden Akkus ist bisher noch begrenzt.

Feststoffbatterien

Bei der Feststoffbatterie oder dem Feststoffakkumulator befindet sich zwischen den Elektroden kein flüssiger Elektrolyt, sondern ein fester. Dieser besteht aus festen Materialien wie einem Polymer, Keramik oder Glas. Selbstverständlich muss der Festkörperelektrolyt leitfähig sein, was auf definierten Plätzen in der Festkörpermatrix beruht, welche die Bewegung der Ionen in diesem Feststoff ermöglichen.

Die Feststoffzelle hat mehrere Vorteile. Sie ist wesentlich sicherer als ein Akku mit Flüssigelektrolyten. Die Batterieflüssigkeit in den Lithium-Ionen-Akkus ist brennbar und kann sich bei starker Erhitzung sogar entzünden. Daher wird dort ein Kühlkreislauf erforderlich, der sich allerdings durch erhebliche Größe und Gewicht bemerkbar macht. Neben der Sicherheit einer Feststoffbatterie ist auch deren Energiedichte höher. Damit wird auch die Reichweite des Autos erhöht. Nachteilig wirkt sich derzeit aber noch die geringe Stromstärke aus, mit der die Batterie geladen oder entladen werden kann.

Graphen-Batterien

Eine weitere Batterie der Zukunft könnte auf Graphen basieren. Graphen ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff, die sich durch eine zweidimensionale Kohlenstoffschicht auszeichnet und außerdem eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit besitzt. Südkoreanische Forscher von Samsung haben einen neuartigen Akku auf der Basis von Graphen entwickelt, der bereits im Jahre 2019 in den neuesten Smartphones eingesetzt werden soll. So wird berichtet, dass der Graphen-Akku bereits innerhalb von 12 Minuten voll aufgeladen ist. Nach Angaben der Forscher muss der Graphen-Akku außerdem seltener geladen werden. Dabei bleibt die Temperatur beim Ladeprozess stabil bei 60 Grad Celsius. Im Vergleich zum Lithium-Ionen-Akku ist die Kapazität dieses Akkus um 45 Prozent erhöht. Aufgrund seiner fast unbegrenzten Haltbarkeit wird für Smartphones davon ausgegangen, dass der Akku hier überhaupt nicht mehr ausgetauscht werden muss.

Auch für andere Anwendungen wie unter anderem in Elektroautos oder E-Bikes bieten sich Graphen-Batterien als interessante Alternative an.

Fazit

Bisher dominiert noch die Technologie der Lithium-Ionen-Batterien. Künftig müssen jedoch neue Generationen von Batterien entwickelt werden, um den wachsenden Anforderungen bei der Einführung der allgemeinen Elektromobilität und der Energiewende gerecht zu werden. So genügen die Lithium-Ionen-Batterien diesen Anforderungen längst nicht mehr vollständig. Die obige Kurzübersicht zeigt einige neue Entwicklungen, die neben vielen Vorteilen gegenüber der alten Technologie aber immer auch noch Nachteile ausweisen. Daher ist bisher noch nicht klar ausgemacht, welche Zukunftstechnologien sich am Ende durchsetzen.

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