E-Autos: Neue Akkus sollen den Durchbruch bringen

E-Autos: Neue Akkus sollen den Durchbruch bringen

von Wolfgang Kempkens

Weltweit entwickeln Forscher fieberhaft Batterietechnik weiter. Der Einsatz von Silizium in den Akkus soll jetzt den Durchbruch bringen.

Das bisher größte Problem von Elektroautos ist neben den Kosten ihre geringe Reichweite. Die meisten Serienfahrzeuge müssen derzeit spätestens nach 150 Kilometern an die Steckdose, weil die Akkus leer sind – im Winter noch früher.

Die in den Stromern verwendeten Lithium-Ionen-Batterien könnten aber dreimal mehr Energie speichern, würde die Anode, also der Pluspol, statt aus Grafit wie üblich aus Silizium hergestellt. Das haben Tests gezeigt. Dass dennoch kein Silizium verwendet wird, liegt an einer Eigenheit des Halbleitermaterials: Beim Laden und Entladen der Batterie dehnt es sich aus beziehungsweise schrumpft. Innerhalb von wenigen Lade- und Entladevorgängen ist die Anode zerstört.

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Forscher der University of South California glauben, dem Silizium diese Unart abgewöhnt zu haben. Ihr Trick: Sie setzen kein massives Material ein, sondern nanoporöses – was bedeutet, dass sich im Silizium winzige Hohlräume befinden. Ursprünglich hatten es die Forscher mit nanofeinen Siliziumdrähten versucht, denen Ausdehnen und Schrumpfen nichts ausmacht.

Doch deren Herstellung ist extrem aufwendig und damit teuer. Andererseits hält ein solcher Akku viermal so lange wie eine heutige Lithium-Ionen-Batterie. Der Speicher mit poröser Anode ermöglicht jetzt aber eine ebenso hohe Energiedichte. Doch seine Kapazität ist derzeit noch weniger als halb so hoch wie die einer gebräuchlichen Batterie. Dieses Manko wollen die Forscher innerhalb von zwei bis drei Jahren beheben, unter anderem durch die Entwicklung eines neuen Kathodenmaterials (Kathode ist der Minuspol).

Gleichzeitig verspricht die neue Bauart die Lösung eines Problems, das alle Akkus haben. Der Ladevorgang dauert viel zu lange. Da Silizium die Beweglichkeit der Lithium-Ionen weniger einschränkt als Grafit könne die Batterie der Zukunft innerhalb von zehn Minuten wieder voll sein, hoffen die kalifornischen Forscher.

Auch Luft hilft im StromspeicherWissenschaftler der Rice University in Houston/Texas und der Katholischen Universität im belgischen Löwen glauben weiterhin an Nanodrähte aus Silizium. Sie betten die feinen Drähte in Strom leitendes Kupfer und einen Kunststoff ein, der Lithium-Ionen durchlässt. Der Kunststoff wirkt als Elektrolyt und als Isolator – fertig ist die Batterie. Sie ist flexibel, für große Strommengen allerdings ungeeignet, im Augenblick jedenfalls noch.

Ebenfalls auf Silizium setzen Wissenschaftler am Forschungszentrum Jülich bei Aachen, verzichten aber völlig auf Lithium, dessen Weltvorräte begrenzt sind. Silizium wird dagegen aus Sand gewonnen, der in praktisch unerschöpflichen Mengen zur Verfügung steht.

Bei den Jülichern besteht die Anode aus Silizium. Die Kathode ist eine Kunststoffmembran, deren Poren so ausgelegt sind, dass vor allem Sauerstoff aus der Luft passieren und in das Innere der Zelle gelangen kann, in der sich ein Elektrolyt befindet. Dort finden beim Aufladen chemische Veränderungen statt, die beim Entladen wieder rückgängig gemacht werden.

Silizium-Luft-Batterien können fünfmal mehr Strom speichern als Lithium-Ionen-Akkus. Erstmals vorgestellt hat sie Professor Yair Ein-Eli vor rund vier Jahren im Forschungszentrum Technion in der israelischen Hafenstadt Haifa. Derzeit lassen sich Akkus dieser Art nur im Miniformat herstellen, etwa zur Versorgung von Hörgeräten.

Bisher hat dieser Batterietyp aber noch ein paar Macken. So stoppt manchmal der Stromfluss, auch wenn die Batterie noch voll genug ist. Professor Rüdiger-A. Eichel, Physiker und seit dem 1. Oktober 2012 Direktor des neuen Jülicher Institutsbereichs „Grundlagen der Elektrochemie“, hat mit der Suche nach Werkstoffen begonnen, mit denen die Silizium-Luft-Batterie so zuverlässig wird wie andere Stromspeicher. Auf lange Sicht soll sie auch in Größen hergestellt werden, wie sie beispielsweise Elektroautos brauchen.

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