Luft, Schwefel, Keramik: Deutsches Forschungsprojekt sucht Batterie der Zukunft

Luft, Schwefel, Keramik: Deutsches Forschungsprojekt sucht Batterie der Zukunft

von Angela Schmid

Das Forschungsministerium steckt Millionen in ein Projekt, das den Weg in eine Zeit nach Lithium-Ionen-Akkus ebnen soll.

Lithium-Ionen-Akkus beherrschen derzeit den Speichermarkt, bei allen Defiziten, die sie noch haben: Mit schnelleren Ladezeiten, höherer Leistung und weniger Temperaturempfindlichkeit ließe sich ihr Anwendungsfeld deutlich erweitern. Denn während die Batterien für Digitalkameras oder auch Notebooks bereits ausreichen, müssen etwa E-Autos noch mit ihnen vollgestopft werden, um akzeptable Reichweiten zu bekommen.

Unter Forschern hat längst der Kampf um die nächste Akku-Generation begonnen. Diese heißen Lithium-Luft- oder Lithium-Schwefel-Akkus, es gibt Natrium-basierte Batterien sowie Feststoffbatterien ohne flüssigen Kern ("all-solid-state batteries"). Ihnen allen ist gemein, dass sie billiger werden sollen, mehr Leistung liefern und vor allem, dass noch keine von ihnen die Marktreife erreicht hat.

Anzeige

"Es gibt  noch zahlreiche Herausforderungen zu meistern", sagt Martin Winter, Professor an der Uni Münster. Das dortige Batterieforschungszentrum MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) soll dabei helfen. Als wichtige Probleme hat Winter bereits die hohen Selbstentladungsraten und eine zu geringe Lebensdauer der neuen Akkus ausgemacht. Um diese Probleme anzugehen, hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung rund drei Millionen Euro Förderung versprochen.

Nun schaut man sich in Münster also gemeinsam mit Forschungspartnern etwa des Forschungszentrums Jülich sogenannte Post-Lithium-Ionen-Batteriesysteme an. Also die Akkugeneration, die in etwa zehn Jahren auf den Markt kommen dürfte. Denn Winter vermutet, dass es den einen dominanten Batterietyp nicht mehr geben wird: "Es wird mehrere nebeneinander geben – je nach Anwendung", sagt er.

Ein Hoffnungsträger für viele Felder ist die Feststoffbatterie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien wird hierbei kein flüssiger, sondern ein fester Elektrolyt verwendet. Normalerweise bewegen sich zwischen den beiden Elektroden einer Batterie Lithium-Ionen durch eine Flüssigkeit, die sogenannten Elektrolyte: beim Aufladen in die eine Richtung, beim Entladen in die entgegengesetzte Richtung. Bei einer Feststoffbatterie wird diese Elektrolyte durch ein keramisches Material ersetzt. Das macht sie unempfindlich für Temperaturschwankungen, nichts kann brennen oder auslaufen. Die Batterie ermöglicht zudem ein schnelles Aufladen und eine schnelle  Beschleunigung.

Feststoffbatterie muss billiger werdenDas Oak Ridge Nationallabor (ORNL) in den USA hat eine Feststoffbatterie entwickelt, die auch nach 10.000 Ladezyklen noch 90 Prozent ihrer Kapazität aufweist. Das bedeutet, dass sie 27 Jahre lang täglich genutzt werden kann. Die Autobranche hat längst einen Blick darauf geworfen, denn Reichweiten von 700 Kilometer sollen möglich sein. Toyota erwartet kommerzielle Feststoffbatterien für Fahrzeuge ab 2025. Der Nachteil: Feste Elektrolyte sind fünf Mal so teuer wie flüssige. Der Herstellungsprozess ist aufwendig - diesen günstiger zu machen ist ein Aspekt des Projektes. (An dem auch das Forschungszentrum Jülich, das Helmholtz-Institut "Ionics in Energy Storage" in Münster (HI MS), die TU Braunschweig und die Uni Gießen beteiligt sind.)

Interessant sind für den MEET-Wissenschaftler auch Lithium-Luft-Batterien. Sie gelten, nicht zuletzt dank der eingesetzten Luft, als vergleichsweise günstig und leicht. Leider ist die Leistung längst nicht ausreichend und die Batterie ist sehr voluminös - beides ein Problem beim Einsatz in E-Autos. Lithium-Schwefel-Batterien haben ebenfalls Potenzial. Schwefel ist ein Abfallprodukt bei der Öl-Raffination und somit sehr günstig. Allerdings brauchen auch die Lithium-Schwefel-Batterien sehr viel Volumen und ihre Lebensdauer ist noch zu kurz.

Dass die Lithium-Ionen-Akkus überhaupt eingeholt würden, sei zudem noch nicht ausgemachte Sache, warnt Winter: Er rechne damit, dass sich bis 2020 die Reichweite von Lithium-Ionen-Zellen um 50 Prozent erhöht und sich bis 2025 verdoppelt. Und das zum Preis von heute. Bringt das auch die E-Mobilität in den kommenden Jahren entscheidend nach vorne? Für den Wissenschaftler ist das der falsche Ansatz: "Wir leben mit von einem System, dass die hohen Reichweiten nur deshalb bietet, weil wir die schweren und umweltschädlichen Abgasprodukte einfach in die Atmosphäre entsorgen." Und das ist gar nicht so wenig: Weltweit gibt es etwa eine Milliarde Autos - "im Durchschnitt verursacht jedes Auto 100 – 200 Gramm Kohlendioxid pro Kilometer", rechnet Winter vor. "Neue Technologien werden es erst immer sehr schwer haben, sich mit den etablierten zu messen" - das wird auch für die nächste Akku-Generation gelten.

Anzeige
Zur Startseite
-0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%10%11%12%13%14%15%16%17%18%19%20%21%22%23%24%25%26%27%28%29%30%31%32%33%34%35%36%37%38%39%40%41%42%43%44%45%46%47%48%49%50%51%52%53%54%55%56%57%58%59%60%61%62%63%64%65%66%67%68%69%70%71%72%73%74%75%76%77%78%79%80%81%82%83%84%85%86%87%88%89%90%91%92%93%94%95%96%97%98%99%100%