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Für eine neue Energiezukunft braucht es neue Batterien

Akkus, die sich schneller laden lassen, mehr Energie aufnehmen, die aus leicht verfügbarem Material, ungiftig und sicher sind: Bei der Empa arbeitet man daran.
Andreas Lorenz-Meyer
Für die Energiewende braucht es neue Batterien. (Bild: Getty)

Für die Energiewende braucht es neue Batterien. (Bild: Getty)

Lithium-Ionen-Akkus sind allgegenwärtig. Sie stecken in all unseren Handys, weil sie viel Energie auf kleinem Raum speichern können. Letztlich haben sie die mobile Kommunikation erst ermöglicht. Auch bei der Elektromobilität wächst ihre Bedeutung. Und die grösste Schweizer Batterie in Volketswil, die Schwankungen im europäischen Stromnetz ausgleichen soll, gehört ebenso zu dem Akkutypen.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren heissen so, weil Lithiumionen die Ladungsträger sind – und auf die kommt es an bei Akkus. Sie sind es, die in der Zelle, der kleinsten Einheit einer Batterie, störungsfrei hin- und herwandern können müssen. Der Prozess entspricht dem Auf- und wieder Entladen. Beim Aufladen wechseln die Ionen von der Kathode, dem Pluspol, zur Anode, dem Minuspol. Beim Entladen gehen sie den umgekehrten Weg.

Die Lithium-Ionen-Batterie hat Schwächen

Die Anode bei dem Akkutypen besteht heute meist aus dem Kohlenstoff Graphit, die Kathode aus einem Metalloxid, etwa Cobaltdioxid. Das Lithium wird abwechselnd im Graphit und im Metalloxid eingelagert. Die dritte Akku-Komponente nennt sich Elektrolyt. Eine wasserfreie Salzlösung, die dafür sorgt, dass die Ionen frei zirkulieren können. Diese schlüpfen mühelos durch eine hauchdünne, poröse Plastikfolie in der Akkumitte, den Separator. Der ist für die Sicherheit zuständig: Er trennt Plus- und Minuspol voneinander, damit es keinen Kurzschluss gibt.

Trotz des Erfolgs: Der Akkutyp hat Schwächen. So besteht der Elektrolyt aus flüssigem Material. Ein Risiko, weil sich so Lithiumdendriten bilden können. Das sind kleine, nadelförmige Metallablagerungen. Werden sie zu gross, droht das Handy in Flammen aufzugehen. Darum besteht die Anode im Lithium-Ionen-Akku aus dem Kohlenstoff Graphit und nicht aus metallischem Lithium. Das senkt die Kurzschlussgefahr, führt aber auch dazu, dass die speicherbare Energiemenge geringer ist als wenn die Anode aus reinem Metall wäre. «Zur Zeit ist das Graphit totes Gewicht und totes Volumen», sagt der Akkuforscher Arndt Remhof von der Abteilung «Materials for Energy Conversion» der Empa.

Mehr Effizienz für Elektroautos

Hinzu kommt, dass viel mehr Leistungsfähigkeit aus den Lithium-Ionen-Akkus nicht herauszuholen ist. Die bräuchte es aber, denn in Zukunft werden Elektroautos die Strassen dominieren. Und deren Akkus sollen grössere Reichweiten zulassen als heute. Mit Lithium-Ionen-Akkus geht das kaum, und das Material selbst ist auch ein Problem. In der Kathode steckt neben Lithium häufig das Metall Cobalt. Ein kritischer Rohstoff, der überwiegend im politisch unruhigen Kongo abgebaut wird. Gute Gründe, warum Remhof in einem vom Nationalfonds geförderten Projekt zusammen mit Forschern der Uni Genf, dem Paul-Scherrer-Institut und der polnischen Akademie der Wissenschaft an Post-Lithium-Technologien forscht.

Eine mögliche Nachfolgetechnologie sind Festkörperbatterien. Festkörper bedeutet, der Elektrolyt ist ein fester Stoff. Eine komplizierte Sache, denn die Ionen müssen sich auch in der festen Umgebung bewegen können. Remhof und Kollegen haben einen Prototypen entwickelt, bei dem die Anode aus Natrium besteht, die Kathode aus Natriumchromoxid und der Elektrolyt aus festem closo-Borat. Closo-Borate sind aus Bor und Wasserstoff aufgebaut. Zusammen mit Natrium bilden sie Salze.

Welches ist das richtige Material?

Akku-Forscher diskutieren noch über das richtige Material. Die closo-Borate besitzen gute Eigenschaften: hohe Leitfähigkeit, geringe Toxizität. Jetzt muss noch das Kurzschlussproblem gelöst werden. Die Suche nach einer Lösung läuft. Momentan funktioniert der Natriumakku nur bei etwa 60 Grad Celsius. 60 Grad sind für die Anwendung aber zu hoch. Das Ziel: Der Akku soll auch bei Raumtemperatur einwandfreie Dienste leisten. Das Neue am Prototypen ist auch das Metall Natrium für Anode und Kathode. «Als chemischer Verwandter von Lithium ist es eine naheliegende Lösung», sagt Remhof. Er will dahin kommen, dass der Natriumakku ähnlich hohe Spannungen liefert wie Lithium-Ionen Akkus, ungefähr vier Volt. Noch ist es nicht soweit. «Unser Elektrolyt verträgt etwa 3,2 Volt. Oberhalb dieser Grenzspannung ist er chemisch nicht mehr stabil und zersetzt sich in seine chemischen Bestandteile.»

Natrium und Magnesium sind leicht verfügbar

Jedoch lässt sich der Spannungsbereich mit Natrium und Natriumchromoxid vollständig ausnutzen. Gut auch, dass Natrium leicht verfügbar ist. Parallel zum Natriumakku werden Magnesiumakkus erprobt. Hier sind es Magnesium-Ionen, die in der Zelle wandern. Auch Magnesium wäre ein gut verfügbarer Rohstoff und ermöglicht im Prinzip eine doppelte Energiemenge pro Volumen. Darin liegt auch das Problem. Die hohe Ladungsdichte führt zu starker elektrostatischer Anziehung.

Es liegt noch viel Grundlagenarbeit vor den Empa-Forschern. Ein ganz neuer Akkutyp ist nicht in zwei Jahren zu entwickeln. Die Lithium-Ionen-Technologie benötigte auch zwei Jahrzehnte dafür. Zweifellos prägen wiederaufladbare Batterien die Wirtschaft von morgen, aber welcher Akkutyp dabei die Hauptrolle spielt, vermag Remhof nicht zu sagen. «Das Rennen ist offen. Alle Alternativen müssen sich auf dem Markt gegen die sehr erfolgreiche Lithium–Ionen-Technologie behaupten.»

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