Holz oder Atommüll:
Was sind die Batteriekonzepte der Zukunft?

Ob Elektromobilität ein Erfolg werden wird, hängt davon ab, ob es bald leistungsfähigere und kostengünstigere Batterien geben wird. Forscher arbeiten an ganz verschiedenen Lösungen.

Mit Lithium-Ionen-Akkus betrieben: Tesla Modell 3, Mobiltelefone
©links: Johannes Maximilian, rechts: robin-worrall/unsplash

Mit Lithium-Ionen-Akkus betrieben: Tesla Modell 3, Mobiltelefone

Die Zukunft der Mobilität ist elektrisch. Leistungsfähige Batterien sind dabei die Schlüsselkomponente für elektrische Fahrzeuge. Bisher werden in Elektroautos, E-Bussen oder E-LKW fast ausschließlich Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Darunter fallen zahlreiche Batterietypen wie etwa die NMC-Batterie (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide), die in fast allen Elektroautos auf dem Markt eingesetzt wird. Eine Ausnahme bildet der US-Hersteller Tesla mit Lithium-Ionen-Batterien vom Typ NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxide).

Lithium-Ionen-Akkus
© links Phrontis rechts: Phrontis

Lithium-Ionen-Akkus

Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus zwei Elektroden, der Kathode und der Anode. Beide trennt der Elektrolyt. Elektrolyte sind Stoffe, die in wässriger Lösung elektrischen Strom leiten können. Beim Entladen gibt die Anode Elektronen ab, die zur Kathode wandern: Es fließt Strom. Beim Laden wird von außen eine Spannung angelegt und die Lithium-Ionen wandern wieder in die umgekehrte Richtung.

Ein großer Nachteil der Lithium-Ionen-Batterien ist unter anderem der flüssige Elektrolyt und die kritische Ressource Lithium. Der Abbau des Rohstoffs führt zu dauerhaften Umweltschäden– etwa im

südamerikanischen Lithium-Dreieck, das Argentinien, Bolivien und Chile umfasst. Die Entwickler von Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien suchen nun nach Batteriesystemen

  • mit einer höheren Leistung
  • bei geringeren Ladezeiten
  • reduziertem Gewicht
  • längerer Lebensdauer,
  • undgeringeren Kosten,
  • die die Umwelt weniger belasten.

Die Bereiche, in denen geforscht wird, sind vielfältig. MEIN LEBEN stellt drei innovative Batteriekonzepte vor:

Festkörperbatterie

Als vielversprechendster Ersatz für die Lithium-Ionen-Batterie gilt die Festkörperbatterie. Sie enthält zwischen Plus- und Minuspol keine Flüssigkeit wie bei einem Lithium-Ionen-Akku, sondern einen dünnen leichten Feststoff. Das spart Gewicht und Platz. Der Feststoff erlaubt es zudem, beim Minuspol auf das in Lithium-Ionen-Zellen übliche Grafit zu verzichten. So lässt sich mehr Energie speichern. Festkörperbatterien versprechen  gemessen an den einzelnen Batteriezellen eine bis zu 50 Prozent höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien, sagen Forscher. Sie gelten zudem als sicherer und potenziell langlebiger als klassische Lithium-Ionen-Akkus.

In Sachsen in Deutschland entsteht mit Sax-Batt gerade ein neues Netzwerk für die Energiespeicher-Forschung. Herzstück ist das Projekt Sax-Batt-Empower, das unter anderem den Aufbau einer Pilot-Produktionslinie für innovative Festkörper-Batterien und Anlagen für die automatisierte Wiederverwertung ausgedienter Batterien umfasst.

Die Produktion von Festkörper-Batterien ist bisher recht aufwendig: Die Fertigungslinie in Sachsen beispielsweise wird unter Schutz-Atmosphäre arbeiten. Das bedeutet: Die Forscher müssen die Maschinen luftdicht verschließen und mit dem reaktionsarmen Edelgas Argon fluten, damit die Produktion der neuartigen Akkus gelingt.

Betrieben mit sieben Festkörperbatterien: Mercedes-Benz eCitaro
©daimler benz

Betrieben mit sieben Festkörperbatterien: Mercedes-Benz eCitaro

Der Automobilhersteller Daimler hat mit dem eCitaro G bereits einen Stadtbus mit Festkörperbatterien vorgestellt. Die neue Batterietechnologie hat nach Angaben von Daimler einen Energieinhalt von jeweils 441 Kilowattstunden. Demnach verfügt der eCitaro G über eine Reichweite von bis zu 220 Kilometer unter günstigen Bedingungen mit durchschnittlichen Anforderungen an Geschwindigkeit, Topografie und Beladung sowie einfachen klimatischen Bedingungen. Im Winter mit Heizbetrieb fährt der eCitaro G noch immer 170 Kilometer weit. Da Festkörperbatterien langlebiger sind, gibt Daimler eine Basisgarantie für bis zu zehn Jahre oder bis zu 280 Megawattstunden Energiedurchsatz je Batteriebaugruppe.

Organic-Flow-Battery

Lignin wird aus Holz gewonnen.
©zuzana-kacerova/unsplash

Lignin wird aus Holz gewonnen.

Bislang enthalten fast alle Batterien Metallverbindungen basierend auf Lithium, Blei oder Vanadium. Die Gewinnung und das Recycling der metallischen Verbindungen sind aufwändig und oft mit Schäden für die Umwelt verbunden. Als Alternative entwickeln Forscher derzeit eine praxistaugliche Batterie, deren Elektrolyt auf einer pflanzlichen Verbindung aus Holz basiert: Das deutsche Start-up CMBlu Energy aus der Nähe von Frankfurt etwa arbeitet an der Optimierung eines Verfahrens zur Elektrolytgewinnung aus Lignin. Lignin fällt tonnenweise als Nebenprodukt bei der Papier- und Zellstoffproduktion an. Elektrolyte auf Holzbasis sind erneuerbar und weder brennbar noch explosiv.

Organic-Flow-Batterien wie von CMBlu basieren auf dem Prinzip der Redox-Flow-Batterie, bei der zunächst elektrische in chemische Energie umgewandelt wird. So lädt die Batterie sich auf. Lässt man die Reaktion dann umgekehrt wirken, strömen die Ionen wieder zurück und erzeugen dabei elektrischen Strom.

Herkömmliche Redox-Flow-Batterien benötigten große Mengen Elektrolyte mit gelösten Metallionen. Organische Verbindungen wie Lignin versprechen nicht nur eine höhere Wirtschaftlichkeit, sondern sind regenerierbar und daher nachhaltiger als metallische Verbindungen.

Auch in Österreich wird an organischen Redox-Flow-Batterien gearbeitet. Die Forscher am Institut für biobasierte Produkte und Papiertechnik der TU Graz setzen als Elektrolytmaterial den Aromastoff Vanillin ein, den wir zu Hause zum Backen verwenden. Vanillin wird ebenfalls aus Lignin gewonnen. Der Abspaltungs- und der Veredelungsprozess ist bereits patentiert, die erfolgreichen Testergebnisse sind veröffentlicht. Der Einsatz in E-Autos ist jedoch (vorerst) nicht geplant. Die Batterien eignen sich jedoch als Back-up-Speicher für stationäre Anwendungen wie E-Tankstellen. Die Grazer sind derzeit auf der Suche nach Energieversorgungsunternehmen, die die Redox-Flow-Technologie als Energiespeicher in ihre Infrastruktur einbauen, um ihre Netze zu entlasten.

Forscher des Labors für organische Elektronik an der Universität von Linköping in Schweden haben vor Kurzem ebenfalls eine organische Batterie vorgestellt. Die Schweden verwenden ein Elektrolyt auf Wasserbasis mit einer Lösung von Molekülen, die ebenfalls aus Holz extrahiert werden können. Bis jetzt gibt es noch kein marktfähiges Produkt für E-Fahrzeuge.

Nano Diamond Battery

Vom Brennstab in den Diamanten. Links: Brennstäbe aus dem nicht in Beriebgenommenen AKW Zwentendorf.
©links: HardaldKanins, rechts: daniele-levis-pelusi/unsplash

Vom Brennstab in den Diamanten. Links: Brennstäbe aus dem nicht in Beriebgenommenen AKW Zwentendorf.

Das Unternehmen Nano Diamond Battery (NDB) aus Kalifornien geht einen ganz anderen Weg: Es forscht an einer Batterie aus recyceltem Atommüll. Das radioaktive Isotop des Kohlenstoffs C14 sorge dabei für eine Lebensdauer der Batterie von bis zu 28.000 Jahren, verspricht NDB. Beim Einsatz in E-Autos würden die Batterien immerhin rund 90 Jahre halten.

Die Idee, radioaktive Diamanten zur Energiegewinnung zu nutzen, ist nicht neu. C 14 sendet Betastrahlung aus, das bedeutet: Es setzt beim Zerfall hochenergetische Elektronen frei. Seit den 1970er Jahren wird Betastrahlung – die nicht weit durch die Luft wandert und daher im Vergleich zu anderen Strahlungsformen relativ sicher ist – als mögliche Energiequelle untersucht.

Die Nanodiamant-Batterien von NDB sollen im Grunde wie winzige Generatoren arbeiten, dabei werden übrig gebliebene Grafitkomponenten aus Nuklearreaktoren verwendet. NDB will das Grafit reinigen und es zur Herstellung von Diamanten auf Basis von C 14 verwenden. Diese werden mit einer weiteren Diamantschicht, diesmal auf Kohlenstoff-12-Basis, überzogen. Dies soll das radioaktive Material sicher einschließen.

 In ihrer Größe und Form soll die Nanodiamant-Batterie so variabel sein, dass sie in sämtliche Geräte vom Implantat über das Handy bis hin zum E-Auto passt. Im E-Auto soll die NDB um 56,4 Prozent kleiner als eine vergleichbare herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie sein, bei allerdings etwas höherem Gewicht. Das kalifornische Start-up ist zwar noch auf Investorensuche, möchte aber bereits in zwei Jahren seinen ersten Prototyp und in fünf Jahren serienreife Produkte fertig haben.

Dass solche Batterien im Prinzip machbar sind, zeigten bereits vor einigen Jahren Forscher der Universität Bristol. Für die meisten Aussagen von NDB zum Produkt gibt es jedoch keine harten Belege und eben auch noch keinen funktionierenden Prototyp. Das Konzept klingt zwar vielversprechend, ob es auch funktioniert, ist noch zu beweisen.