Mit Apfelresten ein Elektroauto antreiben

Herkömmliche Lithiumionen-Batterien sind zu teuer für den breiten Einsatz in Elektroautos und Solaranlagen. Wissenschafter arbeiten an einer preiswerten und umweltfreundlichen Alternative: Bio-Batterien mit Kohlenstoff-Elektroden aus Apfelresten. Doch auch diese Na-Ionen-Batterien haben ihre Nachteile.

Juliette Irmer
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Akkus sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken: Handy, Tablet, Kamera. In allen Geräten steckt der gleiche Batterietyp, die Lithiumionen-Batterie. Seit Sony sie 1991 auf den Markt brachte, hat das kleine Kraftpaket Geschichte geschrieben. Mehr als vier Milliarden dieser Batterien wurden 2015 verbaut und der Markt boomt weiter.

Batterienbedarf steigt

So sehr, dass nach Alternativen gesucht werden muss. Denn der Bedarf an Batterien wird steigen: Die Nachfrage nach Elektroautos etwa nimmt zu. Könnten diese zu erschwinglicheren Preisen gebaut werden, hätten sie vermutlich das Zeug zum «Volkswagen». Das wiederum hängt auch von der Entwicklung einer langlebigen und vor allem kostengünstigen Batterie ab.

Das Gleiche gilt für Solar- und Windkraftanlagen. Diese produzieren zwar zuverlässig Strom, aber nur wenn die Sonne scheint oder Wind weht. «Wir brauchen effiziente und günstige Energiespeicher, die Sonnen- oder Windenergie über einen längeren Zeitraum zwischenspeichern können, um sie bei Bedarf abzugeben», sagt Petr Novak vom Paul Scherrer Institut.

Wichtig für Erneuerbare

Die Lithiumionen-Akkus sind für diese Entwicklungen nur bedingt geeignet: Sie sind schlicht zu teuer. Lithium (Li) ist zwar keine knappe Ressource, das Alkalimetall liegt jedoch fein verteilt in der Erdkruste vor, was den Abbau aufwendig, umweltbelastend und kostspielig macht. Deswegen suchen Wissenschafter schon seit einigen Jahren vermehrt nach einer preiswerten Alternative – und haben Natrium (Na) wieder entdeckt, chemisch betrachtet der grosse Bruder von Lithium. «Natrium kommt überall vor: In Salzwüsten, in unterirdischen Salzstöcken und im Meer in Form von Kochsalz. Die Gewinnung ist viel einfacher als die von Lithium und damit viel günstiger», sagt Stefano Passerini vom Helmholtz-Institut Ulm.

Die Na-Ionen-Batterie gilt dabei als «drop in»-Technologie, das heisst: Im Prinzip ähnelt sie der Li-Ionen-Batterie, der Herstellungsweg besteht bereits. Einfach austauschen lassen sich die Ionen aber nicht. Denn Na-Ionen sind etwa 25 Prozent grösser als Li-Ionen und das verändert die Chemie der Batterie. So müssen neue, geeignete Materialien für die Na-Batterie entwickelt werden.

Das Team um Passerini experimentiert dabei auch mit Bioabfall – ein Zufall führte es auf diese Spur: Ein Student aus China wunderte sich über die vielen Äpfel, die im Herbst ungenutzt herumliegen – weil sie EU-Standards nicht genügen – und beschloss, sie als Rohstoff zu nutzen. Die Forscher trocknen die Früchte, behandeln sie mit Säure und erhitzen sie, um schliesslich Kohlenstoffpulver zu erhalten, das sie für die Elektrode der Batterie nutzen.

Bananen- und Erdnussschalen

«Viele biologische Abfälle, aber auch nachwachsende Ressourcen, könnten als Elektrodenmaterial dienen und damit nachhaltig genutzt werden», ist Passerini überzeugt. Auch aus Bananen- und Erdnussschalen hat man bereits Batteriematerialien gewonnen, und weltweit bemühen sich Forscher, Batterien ohne umweltschädliche Elemente wie Kobalt zu entwickeln.

Über 1000 Lade- und Entladezyklen hat die Kohlenstoff-Elektrode aus Apfelresten bei stabiler Leistung bereits überstanden. Li-Ionen-Akkus schaffen bis zu 3000 Zyklen und sind damit langlebiger, diese Technik ist auch weit ausgereifter. Neu ist die Forschung an Na-Ionen-Batterien aber nicht: Sie wurde nur Ende der 1980er-Jahre fallengelassen, als sich der Siegeszug der Li-Batterie abzeichnete. Weil Li-Ionen so klein sind, lassen sich leichte Batterien bauen. Hinzu kommt die hohe Energiedichte.

Nie so wie Benzin

«Die Na-Ionen-Batterie hat eine geringere Energiedichte. Sie wird also bei gleicher Grösse nicht die Leistungsfähigkeit der besten Li-Ionen-Batterien erreichen», sagt Novak, dessen Team auch an Li-Schwefel-Batterien und anderen Exoten arbeitet. Novak geht davon aus, dass die Na-Batterie in fünf bis zehn Jahren auf den Markt kommt. Allerdings: «Batterien – egal welche – werden niemals die Reichweite von Benzin erreichen», sagt Novak vom PSI.