Kobalt ist die entscheidende Komponente der positiven Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien. Sie bestimmt die Energie- und Leistungsdichte und die Lebensdauer. Doch das Leichtmetall Lithium ist schwer abzubauen und Kobalt ist toxisch. Daher verringern kobaltfreie Speichermaterialien und Post-Lithium-Technologien, die auf unkritischen Elementen wie Natrium und Schwefel, Silizium oder Zink mit Mangan oder aber Aluminium basieren, den Ressourcendruck.
Neue hochenergetische Batterien
„Um diese Risiken zu verringern und den Druck auf die Reserven von Kobalt und Lithium zu reduzieren, ist es unerlässlich, die Forschungsaktivitäten auf alternative Batterietechnologien auszuweiten“, sagt Daniel Buchholz. Er hat in einer Studie für das Helmholtz Instituts Ulm die Verfügbarkeit von Lithium und Kobalt untersucht. „Post-Lithium-Systeme sind besonders attraktiv für die Elektromobilität und stationäre Anwendungen. Daher ist es äußerst wichtig und dringend, ihr Potenzial auszuschöpfen und diese hochenergetischen Batterien zur Marktreife zu entwickeln", betont Stefano Passerini, stellvertretender Direktor des Helmholtz Instituts Ulm.
Um also auf Lithium und Kobalt zukünftig verzichten zu können, arbeiten viele Forscher an verschieden Möglichkeiten von Post-Lithium-Batteriesystemen. Einige der vielversprechenden Materialien sind:
Natrium und Schwefel
Beim Entladen einer Zelle wandern die Lithium-Ionen zu der Kathode. Diese besteht aus Oxiden, die Metalle wie Kobalt 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 Li-
thium. 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 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 mehr Bewegung in dem Bereich. Eine israelische Firma arbeitet an einer Aluminium-Luft-Batterie, ein größeres Konsortium eines EU-geförderten Projekts an einer Aluminiumbatterie mit flüssigem Ionenleiter und eine Gruppe der Stanford Universität in Kalifornien an einem ähnlichen Prinzip.“ Das Thema Aluminium-Batterie wird immer bedeutender: Eine neue Studie von Frost & Sullivan hat diese Technologie nun in ihrem Bericht zu Post-Lithium-Systemen aufgenommen. „Wir arbeiten intensiv an der Präparation der identifizierten Materialien sowie daraus resultierender Zellmess-Serien. Wir erwarten die erste Zelle in den nächsten Monaten. Im April 2018 werden wir auf der Hannover Messe unseren bisherigen Stand vorstellen,“ sagt Tilmann Leisegang zur Entwicklung der Technologie.
