Die Suche nach der Superbatterie

Die Rohstoffe für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien werden knapp, gleichzeitig steigt mit der Automatisierung der Bedarf. Forscher suchen nun nach Alternativen: Die künftigen Superbatterien sollen nicht zuletzt günstiger und effektiver sein.

Kobalt, Graphit und Lithium sind jene drei kritischen Bestandteile einer jeden Batterie, die für Probleme sorgen. „Wenn wir Lithium-Ionen-Batterien, also Batterien, die sich in Elektroautos genauso wie in Handys befinden, weiterhin so bauen wie jetzt, wird Berechnungen zufolge bereits 2025 der Bedarf an Kobalt die weltweite Produktion übersteigen. Hier müssen wir also dringend Alternativen finden“, erklärt die Batterieforscherin Margret Wohlfahrt-Mehrens vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm.

Auch bei den Naturgraphiten ist ein Engpass zu erwarten. „Dabei erschöpfen sich nicht nur die natürlichen Vorkommen, sondern auch der Zugang zu den Ressourcen könnte schwieriger werden. Denn ein Großteil der noch verfügbaren Quellen befindet sich in China. Hier macht man sich sukzessive abhängig, was die Preise ansteigen lassen könnte.“ Die Lithiumreserven wiederum seien zwar ausreichend, so Wohlfahrt-Mehrens, doch auch hier müsste man die Prozesse stark optimieren, will man den wachsenden Bedarf an Akkus für Roboter und Autos in Zukunft decken.

Ein hochsensibles System

Nach Alternativen bzw. Verbesserungen zu allen drei Bestandteilen der Lithium-Ionen-Batterie wird derzeit eifrig gesucht. So sei es etwa technisch kein Problem, die Graphite künstlich herzustellen. Der Prozess ist allerdings sehr energieaufwändig, so die Materialforscherin. „Hier versucht man die Herstellung umweltfreundlicher zu machen.“

Technologiegespräche Alpbach

Von 23. bis 25. August finden im Rahmen des Europäischen Forums Alpbach die Technologiegespräche statt, organisiert vom Austrian Institute of Technology (AIT) und der Ö1-Wissenschaftsredaktion. Das Thema heuer lautet „Diversität und Resilienz“. Davor erscheinen in science.ORF.at Interviews mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die bei den Technologiegesprächen vortragen oder moderieren.

Margret Wohlfahrt-Mehrens wird am 24. August im Arbeitskreis „Batterien der nächsten Generation: Europäische Spitzentechnologie für einen Durchbruch in der Elektromobilität“ in Alpbach sprechen.

Bei Kobalt liegt die Lösung weniger auf der Hand. Kobalt künstlich herzustellen, geht nicht. Daher setzt man immer mehr nickelreiche Materialien mit ähnlicher Struktur ein, bei denen der Anteil an Kobalt deutlich kleiner ist. Das wiederum verkürzt die Lebensdauer der Batterie. „Deshalb muss man zusätzliche Maßnahmen ergreifen und etwa kobaltarme oder -freie Materialien weiter optimieren, alternative Elektrolytsysteme entwickeln und die Materialien noch besser aneinander anpassen, sodass man Langzeitstabilität und Sicherheit gewährleisten kann.“

Das Problem dabei: Das System einer Batterie ist hochsensibel - verändert man einen kleinen Baustein, muss man auch die anderen Komponenten weiterentwickeln und verändern. „Man muss alle Eigenschaften im Blick behalten: die Auswirkungen auf die Lebensdauer, die Sicherheit, die Kosten und die Prozessstabilität. Wir müssen also das gesamte System der Batterie anpassen.“

Lithium-Ionen-Batterie hat noch Luft nach oben

Trotz intensiver Forschung und Entwicklung an alternativen Systemen wird man aber grundsätzlich dem Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie für die nächsten 15 bis 20 Jahre treu bleiben, so Wohlfahrt-Mehrens. Zum einen gibt es hier noch viel Luft nach oben - was die Minimierung der Kosten, die Verkürzung der Ladedauer sowie die Energie der Akkus anbelangt. Zum anderen müssen die Alternativen auch praktikabel sein: „Für Veränderungen wäre es derzeit wichtig, dass sie in bestehende Produktionsprozesse nahtlos eingegliedert werden können. Es macht beispielsweise keinen Unterschied für die Zellproduktion, wenn man kobaltarme Aktivmaterialien einsetzt.“

Der Schlüssel zur weiteren Energiesteigerung in dieser Technologie wäre die Verwendung von Lithiummetall. Dies würde die Energiedichte der Batterien fast verdoppeln - was bedeutet, dass ein Elektroauto mit der Batterie doppelt so weit fahren könnte. Allerdings: „Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien enthalten deshalb kein metallisches Lithium, weil die verwendeten Flüssigelektrolyte brennbar sind.“ Das metallische Lithium kann nach vielen Lade- und Entladevorgängen einen sehr reaktiven Schwamm bilden, der mit dem leicht entflammbaren Elektrolyten reagieren kann, erklärt die Materialforscherin. Das Sicherheitsrisiko brennender Akkus wäre hier also zu groß.

Ö1-Sendungshinweis

Diesem Thema widmete sich auch ein Beitrag in „Wissen aktuell“ am 8.8. um 13.55 Uhr.

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Festkörperbatterien als Superbatterie?

Aus diesem Grund forscht man seit einigen Jahren an einem völlig anderen Batterietyp, der Festkörperbatterie. Dabei will man auf lange Sicht die flüssigen Elektrolyte durch feste Materialien ersetzen - genauer durch eine Keramik, die ebenfalls Lithium-Ionen leiten kann. „Mit Festkörperbatterien lassen sich höhere Energiedichte mit höherer Sicherheit verbinden. Zudem ergeben sich neue Möglichkeiten für ein kompakteres Batteriedesign. Auf Kühlkreisläufe kann beispielsweise verzichtet und kleinere Systeme entwickelt werden.“ Noch arbeitet man daran, die Materialien ideal zu kombinieren, so Wohlfahrt-Mehrens.

Ein noch größeres Problem ist allerdings die massentaugliche Herstellung. Denn für eine Festkörperbatterie müsste man sehr dünne keramische Schichten großflächig und fehlerfrei produzieren. „Um diese Prozesse vom Labormuster bis in den Produktionsprozess zu entwickeln, wird es noch sehr lange dauern.“ Für die nächsten 15 bis 20 Jahre rechnet die Forscherin jedenfalls mit keiner Marktrevolution.

Abgesehen davon wird aber auch an Batterien ohne Lithium geforscht. Die sogenannten Post-Lithium-Batterien könnten aus Elementen wie Natrium, Magnesium, Zink oder Aluminium Energie erzeuen. Hier steht man allerdings in der Materialforschung noch ganz am Anfang.

Ruth Hutsteiner, Ö1-Wissenschaft

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