Die nächste Generation Energiespeicher Gibt es eine Welt nach Lithium?

Lithium ist die Basis vieler heutiger Akkus. Experten wie etwa Sam Jaffe von der US-Beratung Navigant Research befürchten allerdings: Die Lithium-Vorkommen könnten bereits ab 2020 knapp werden. Jaffe fordert deshalb: „Neue Lösungen müssen für den Energiebedarf der Zukunft her.“ Die Reserven in den bereits vorhandenen Minen werden auf 14 Millionen Tonnen geschätzt. „Das entspricht der Menge für etwa eine Milliarde Elektroautos mit jeweils rund 500 Kilometern Reichweite. Das wiederum ist etwa der aktuelle weltweite Bestand,“ erläutert Tilmann Leisegang, Wissenschaftler der TU Bergakademie Freiberg. Er erforscht mit seinem Team daher alternative Materialien für Akkus, wie Aluminium.

Die Post-Lithium-Generationen

Lithium ist ein Leichtmetall, das hochreaktiv ist, also mit anderen Stoffen stark reagiert. Seine Vorteile in Akkumulatoren sind die hohe Energiedichte und die Fähigkeit hohe Spannungen erzeugen zu können. Beim Auf- und Entladen wandern Lithium-Ionen zwischen den Polen der Batterie hin und her. Diese Ionen bewegen sich durch eine Flüssigkeit, dem Elektrolyt. Der Elektrolyt besteht aus organischen Lösungsmitteln, die jedoch leicht brennbar sind. Wenn sich eine Batterie durch ungünstige Bedingungen überhitzt, kann sie sich entflammen, wie etwa bei dem Galaxy Note 7. Mehrere dieser Smartphones überhitzten sich und gerieten in Brand. Der Hersteller Samsung rief deshalb im September letzten Jahres, nur wenige Wochen nach der Markteinführung, alle Handys zurück und nahm das Gerät im Oktober ganz vom Markt. Vermeiden ließe sich so etwas mit einer Feststoff-Batterie, jedoch ebenfalls auf Lithium-Basis. Als fester Elektrolyt wäre Keramik denkbar, das das eingeschlossene Lithium nicht entzünden lässt.

Ein Verzicht auf Lithium als Basis für Akkumulatoren ist noch nicht möglich. Forscher erproben zurzeit allerdings verschiedene andere Stoffe für zukünftige Batterien.

Natrium und Schwefel

Beim Entladen einer Zelle wandern die Lithium-Ionen zu der Kathode. Diese besteht aus Oxiden, die Metalle wie Cobalt oder Nickel enthalten. Die Metalloxide sind teuer und teils auch giftig. Forscher des Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) wollen sie durch Schwefel ersetzen, da dieser in großen Mengen verfügbar ist. Er entsteht als Abfallprodukt bei der Ölraffinerie und kann eine hohe Speicherkapazität entwickeln. Zusätzlich soll geschmolzenes Natrium eingesetzt werden, das sich aus Kochsalz gewinnen lässt und so praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht. Allerdings brauchen Batterien auf dieser Basis noch Betriebstemperaturen von bis zu 300 °C und das Beheizen der Batterie bedeutet einen Effizienz-Verlust. Das IWS versucht die chemische Reaktion des Lithium-Schwefel-Akkus bei Raumtemperatur auf den Natrium-Schwefel-Akku anzuwenden, um damit zu beweisen, dass die Verbindung von Natrium und Schwefel ebenfalls bei Raumtemperatur funktionieren kann.

Silizium

In Australien wird in der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) an einer Batterie auf Silizium-Basis geforscht. Das ebenfalls australische Energiespeicher-Unternehmen 1414 Degrees hat basierend auf dieser Forschung einen ersten Prototyp einer Batterie getestet, die Energie in Form von geschmolzenem Silizium speichern kann. Das Halbmetall Silizium ist in der Erdhülle, auf das Gewicht bezogen, das zweithäufigste Element nach Sauerstoff und steht daher reichlich zur Verfügung. Die Erdkruste besteht zu etwa 28 Prozent aus Silizium. Bei dem Prototyp der Forscher wird zunächst Energie genutzt, um das Halbmetall zu schmelzen. Sein Schmelzpunkt liegt bei 1.414 °C. Während das Silizium wieder abkühlt, wird eine Turbine angetrieben und dadurch Elektrizität erzeugt. Weil Silizium Wärme über eine lange Zeit halten kann, ist sie für solche Batterien geeignet. Jedoch geht zu viel Abwärme dabei verloren, sodass die Energieeffizienz gering ausfällt. Bei den ersten Probeläufen konnte zwar 80 Prozent der eingesetzten Energie gespeichert, allerdings nur 31 Prozent davon wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden.

Zink-Mangan

Vielversprechend scheinen Batterien auf Zink-Mangan-
Basis zu sein, weil die Rohstoffe sehr günstig sind. Daran forschen Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory. Zwar sollen solche Batterien eine wesentlich höhere Energiedichte als herkömmliche Batterien haben, sie halten dafür aber nur wenige Ladezyklen durch. Besonders schwer für die Forscher war es, das richtige chemische Verhältnis zwischen Zink und Mangan zu finden. In der Forschung ging man zunächst davon aus, dass sich Zink-Ionen durch den Elektrolyt genauso bewegen würden, wie Lithium-Ionen. Die Akkus büßten bei den ersten Tests jedoch schnell ihre Ladekapazität ein, da das Mangan seine Reaktionsfähigkeit verlor. Die Forscher erhöhten deshalb die Mangankonzentration. Dadurch blieb die Kapazität der Batterie auch nach 5000 Ladezyklen bei 92 Prozent.

Aluminium

Wissenschaftler der TU Bergakademie Freiberg forschen an einer Hochvalent-Ionen-Festkörperbatterie auf Aluminium-
Basis. Die Anode besteht aus reinem Aluminium. Aluminium hat eine vier mal höhere theoretische Ladungsdichte als Lithium. Bei gleichem Volumen besitzt ein Auto mit einem Aluminium-
Ionen-Akku die zwei- bis sechsfache Reichweite eines Fahrzeugs mit Lithium-Ionen-Akku. Die Forscher nutzten zunächst einen Algorithmus zur Materialbewertung für elektrochemische Energiespeicher. Die wichtigsten Kennwerte sind dabei die Dichte, der Oxidationszustand, die jeweiligen Standardpotentiale und die gravimetrischen und volumetrischen Kapazitäten und damit die spezifische Energiedichte. Zusätzliche Parameter wie Umweltverträglichkeit, die Elementhäufigkeit in der Erdkruste und der Preis wurden ebenso herangezogen. Weitere Parameter betrafen die sogenannte Kritikalität und die Recyclingquoten. „Dabei konnte Aluminium, gemäß unseres Bewertungssystems, die höchste Zahl an Punkten erreichen,“ erläutert Tilmann Leisegang, Verbundmanager des Forschungsprojekts. Also stellte sich Aluminium als geeignetes Material heraus. Das Leichtmetall ist außerdem das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdhülle und nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element. Neben dem Vorteil des ausreichenden Vorkommens und der bereits etablierten Aluminium-Industrie und damit auch dem Recycling ist der Sicherheits-Aspekt von Bedeutung: Es ist im Gegensatz zu Lithium nicht an der Luft entzündlich. „Zudem sind Aluminium-Ionen-Batterien kostengünstiger und können mehr Energie speichern“, sagt Leisegang. Warum Aluminium bisher nicht eingesetzt wurde, begründet er damit, dass bisher dafür keine passenden Materialien verfügbar waren. „Also Aluminium-Ionenleiter und Elektroden, die den Aufbau einer Batterie ermöglicht hätten“, ergänzt der Wissenschaftler. „Seit ein paar Jahren gibt es allerdings sehr viel Bewegung in diesem Bereich. Eine israelische Firma arbeitet an einer Aluminium-Luft-Batterie, ein größeres Konsortium innerhalb eines EU-geförderten Projekts an einer Aluminiumbatterie mit flüssigem Ionenleiter und eine Gruppe der Stanford Universität in Californien an einem ähnlichen Prinzip.“

The Day After Lithium

Es gibt einige Ansätze auf dem Weg zu einer neuen Akku-Generation. Bis dahin wird es darum gehen, die jetzige Lithium-Ionen-Technologie zu verbessern. Akkumulatoren müssen kleiner und gleichzeitig effizienter werden. Bestenfalls werden sie auch noch günstiger und wiederverwertbar.