Power & Leistungselektronik Energie clever speichern

Mit dem derzeitigen Stand der Batterietechnik sind die Anforderungen, wie sie Geräte der Zukunft, die Elektromobilität oder das Smart Grid stellen, nicht zu erfüllen. Also arbeiten die Forscher in Instituten und Unternehmen seit Längerem an neuen Lösungsansätzen für Energiespeicher der nächsten Generation. Mit an erster Stelle steht die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen(Li-Ion)-Akkus, die bereits sowohl in mobilen Geräten als auch in Elektro- und Hybridfahrzeugen zu finden sind. Überaus verlockend hören sich die Prognosen eines fast 50-prozentigen Marktwachstums an. Die erwarteten Steigerungen von 28 auf 41 Milliarden US-Dollar bis 2018 (nach lux research) werden zunächst vor allem getrieben durch mobile Endgeräte, dann jedoch von Plug-in-Hybrid- und noch mehr von Hybridfahrzeugen. Ein großes Hindernis für den breiten Einsatz sind indes die hohen Kosten, auch wenn eine McKinsey-Studie einen starken Preisverfall erwartet. Zudem erfüllen sie längst nicht alle Erwartungen an geringes Gewicht, hohe Sicherheit und Widerstandsfähigkeit bei hoher Lebensdauer sowie zuverlässiges Arbeiten bei hohen wie bei niedrigen Temperaturen.

Dem abzuhelfen, haben sich 19 Institute in der Fraunhofer-Allianz Batterien zusammengeschlossen, um ihre Kompetenzen in der Batterieforschung und -entwicklung zu bündeln und nicht nur Materialien und Fertigungsprozesse zu entwickeln, sondern auch wirtschaftliche Systemlösungen für mobile und stationäre Anwendungen. Vor allem will die Allianz Li-Ion-Batterien in Richtung Zukunftssicherheit verbessern. Darüber hinaus arbeiten die Forscher an Akkus und Batteriesystemen der nächsten und übernächsten Generation.

Auf die Sicherheit kommt es an

So simpel Akkus aussehen, so komplex ist ihr Innenleben – Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt müssen für sich perfekt, aber auch optimal kombiniert, aufgebaut, beschichtet und aufeinander abgestimmt sein. Eines der wichtigsten Kriterien für die Batterien der Zukunft ist Sicherheit. Hier haben Li-Ion-Batterien eine Schwachstelle: Die organischen Elek-
trolyte sind brennbar. Überhitzen die Akkus, können sie sich entzünden oder gar explodieren – die Dramatik um das
Dreamliner-Flugzeug von Boeing ist hinlänglich bekannt.

Eine brauchbare Alternative wären Lithium-Polymer-Batterien, bei denen die Institute schon beachtliche Schritte weitergekommen sind. Außerdem werden auch bereits Glaselektrolyte entwickelt, die sehr sichere und leistungsfähige Batterien ermöglichen. Sicherheit steht auch im Fokus des 2012 gestarteten Leuchtturm-Projekts „SafeBatt“, in dessen Rahmen Halbleitersensoren aus bisher nicht verwendeten Materialien wie Graphen sicherheitsrelevante Parameter wie chemische Prozesse, Druckanstieg und Temperaturverläufe der Batteriezelle erfassen sollen. Zu den offenen Fragen zählen mögliche Folgen bei einem Unfall (Crash-Sicherheit), bei intensiver Sonneneinstrahlung, das Verhalten beim Laden/Entladen/ Überladen oder bei Kurzschluss, die Betriebsfestigkeit. Sie werden in dem Fraunhofer-Leistungszentrum „Batteriespeichersysteme“ untersucht.

Neue Materialien im Einsatz

Große Hoffnungen für die Entwicklung besonders leistungsfähiger Batterien setzen Experten in den Einsatz neuer Materialien. Insbesondere Schwefel gilt als ein äußerst vielversprechender Werkstoff: Er ermöglicht deutlich höhere Energiedichten und ist im Vergleich zum knappen Kobalt – dem hauptsächlich in Li-Ion-Batterien verwendeten Kathodenmaterial – nahezu unbegrenzt verfügbar und dadurch günstiger.

Der Nachteil: Schwefel besitzt eine geringe Leitfähigkeit und muss deshalb in eine leitfähige Matrix eingebracht werden. So lässt er sich besser elektrochemisch nutzen. In dem Projekt „AlkaSuSi“ für Lithium-Silizium/Schwefel-Zellen finden Kohlenstoffnanoröhren(CNT)-Elektroden als Träger für Schwefel oder Lithiumsulfid Verwendung. Die Speicherkapazität wird verdoppelt, allerdings halten die Systeme nur 50 bis 200 Ladezyklen aus. Durch neuere Batteriedesigns konnte aber die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Knopfzellen auf
1.400 Zyklen ausgedehnt werden. Noch mehr Energie können künftig Metall-Luft-Batterien liefern. Diese verfügen über eine theoretische Energiedichte von mehr als 1.000 Wh/kg. Die Besonderheit: Bei der Kathode handelt es sich um eine poröse Elektrode mit Luftkontakt.

Dieser Batterietyp findet bis heute vor allem als Zink-Luft-Primärbatterien in Hörgeräten Verwendung. Am Transfer zu größeren und aufladbaren Batteriesystemen wird gearbeitet, so an einer optimalen Abstimmung der Luftkathode auf die Zinkanode für eine hohe Zyklenstabilität. Sehr großes Potenzial haben Lithium-Luft-Batterien. Bis die Lithium-Akkus der vierten Generation ausgereift sind, dauert es allerdings noch. Die Experten erwarten, dass die Li-Schwefel-Technologie etwa 2020 und die Li-Luft-Batterie nach 2030 der Elektromobilität zu einem breiten Durchbruch verhelfen können.

Leistungsfähige Stromspeicher sind aber auch der Schlüssel zu einer erfolgreichen Energiewende. Hier hofft man auf Redox-Flow-Batterien (RFB), welche die Energie in den flüssigen Elektrolyten speichern, während die Ladung und Entladung der Elektrolyten in elektrochemischen Zellen stattfindet. Die auch als Flüssigbatterie oder Nasszelle bezeichnete RFB ist prinzipiell ein Akkumulator, sie ist jedoch auch mit der Brennstoffzelle verwandt. Die beiden Elektrolyte zirkulieren in getrennten Kreisläufen, zwischen denen in der galvanischen Zelle der Ionenaustausch über eine Membran erfolgt. In der Zelle werden dabei die gelösten Stoffe chemisch reduziert beziehungsweise oxidiert (daher die Bezeichnung Redox), um elektrische Energie freizusetzen. Da die in Lösungsmittel gelösten chemischen Verbindungen in von der Zelle getrennten und beliebig groß ausgeführten Tanks gespeichert werden, ist die gespeicherte Energiemenge nicht von der Zellengröße abhängig.

Der Aufbau ist aber aufwändig, denn neben Tank und Rohrleitungen sind mindestens zwei Pumpen für die Elektrolytumwälzung plus Steuereinrichtungen erforderlich. Aus diesem Grunde sind RFB weniger für kleine Verbraucher geeignet; am Einsatz in der Elektromobilität wird noch geforscht. Der bisher am häufigsten eingesetzte und wichtigste Typ ist der Vanadium-Redox-Akkumulator: Das in verschiedenen Oxidationsstufen vorliegende Vanadium gewährleistet eine große Langlebigkeit und Robustheit, da keine Verunreinigung der Flüssigkeiten im Laufe der Ladezyklen stattfindet. Außerdem kennt man Natriumbromid-Redox-, Zink-Brom- und Uran-Redox-Akkumulatoren.

Erneuerbare Energien aus der Konserve sind ein lukrativer Markt: Der Bedarf an kurzfristiger Energiespeicherung wird sich bis 2025 verdoppeln, analysierte DB Research: In den kommenden zwei Dekaden summiert sich der Investitionsbedarf für neue Energiespeicher allein in Deutschland auf etwa 30 Milliarden Euro. Und spätestens 2040 ist eine regelmäßige Speicherung von 40 TWh notwendig, um die sich abzeichnenden Überschüsse aufzufangen. Höchste Zeit also für die Entwicklung neuer Batteriekonzepte.