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Energiespeicher : Auf der Suche nach der Superbatterie

  • Aktualisiert am

Der Tesla Roadster „tankt“ auf Bild: dapd

Für effiziente Elektroautos werden Akkus gesucht, die leistungsfähiger und günstiger sind als die Lithium-Ionen-Batterien. Es gibt viele Ideen. Doch das ideale Kraftpaket der Zukunft ist noch nicht geboren, sagt Linda Nazar von der University of Waterloo in Kanada.

          Frau Nazar, Sie sind eine der führenden Wissenschaftlerinnen auf dem Gebiet der Batterietechnik. Wann werden die Elektroautos das Straßenbild dominieren?

           Wenn die entsprechende Infrastruktur geschaffen ist, so dass die Menschen die Elektromobilität tatsächlich nutzen können. Wir haben aber längst noch nicht die Batterien zur Verfügung, dass Elektroautos an die Reichweite von Benzin- und Diesel-Fahrzeugen heranreichen könnten. Wir müssen die Reichweite erhöhen, aber auch den Preis und die Kosten von Elektrofahrzeugen reduzieren. Es gibt zwar bereits den „Tesla“ dessen leistungsfähigste Version mit einer Batterieladung eine Reichweite von 350 Kilometer erzielt, aber in der Anschaffung wohl für den Normalbürger  unerschwinglich ist. Die Batterie kostet allein 36 000 Dollar. Der günstigere „Nissan Leaf“ kommt mit einer Batterieladung nur 160 Kilometer weit. Derzeit gilt: Je größer die Reichweite, umso höher ist der Preis.

          Die Batterie des „Tesla“ ist eine Lithium-Ionen-Batterie.

          Das ist der derzeit beste kommerziell erhältliche Batterientyp. Er hat eine negative Elektrode, die auf graphitähnlichem Kohlenstoff basiert, und eine positive Elektrode aus Lithium-Kobaltdioxid. Beim Laden und Entladen wandern Lithiumionen zwischen der Kathode und der Anode hin und her. Dieser Vorgang wird durch einen Elektrolyten vermittelt. Hier haben sich wasserfreie Lithiumsalze bewährt. Auf diese Weise lassen sich Zellspannungen um 3,6 Volt erreichen. Einige Hersteller verwenden als Anodenmaterial auch Lithium-Eisen-Phosphat.

          Länge läuft, und das leise:
Das Tesla Model S ist das erste Elektroauto, das an die Tür des automobilen Oberhauses anklopft. Und da ganz laut

          Mit der Energiedichte von Treibstoffen können die Lithium-Ionen-Batterien dennoch nicht konkurrieren?

          Nein, das werden sie auch künftig nicht schaffen. In einem Liter Dieselkraftstoff steckt eine Energie von zehn Kilowattstunden. Heutige Lithium-Ionen-Akkus besitzen typischerweise eine Energiedichte von rund 100 bis 200 Wattstunden pro Kilogramm. Will man die Energiedichte steigern, hat man zwei Möglichkeiten: Man kann die elektrische Spannung in der einzelnen Batteriezelle erhöhen und die Kapazität vergrößern, also Elektroden bauen, die möglichst viele Lithium-Ionen aufnehmen können.

          Was ist der aktuelle Stand?

          Was die gravimetrische Kapazität betrifft, bewegen wir uns derzeit bei 220 Milliamperestunden pro Gramm. Das erreichen wir für eine bestimmte Sorte von Oxiden. Vielleicht kann man sie mit anderen Materialien noch bis auf 300 Milliamperestunden pro Gramm steigern. Wir nähern uns aber damit dem Limit für Lithium-Ionen-Batterien. Es gilt: Je höher die Energie ist, die gespeichert wird, desto höher ist auch die Reaktivität des Elektrodenmaterials mit dem Elektrolyten. Wenn wir von einem Limit sprechen, dann hängt das davon ab, welche Materialien man miteinander kombiniert.

          Linda Nazar, University of Waterloo

          Das klingt ein wenig nach Alchemie.

          Wir haben tatsächlich noch nicht die optimale Kombination von Elektrodenmaterialien und Elektrolyten gefunden. Einer unserer Theoretiker hat berechnet, das es 1500 mögliche Zusammensetzungen gibt. Das ist aber ein theoretisches Ergebnis. Wir müssen experimentell herausfinden, welches Material tatsächlich das beste ist. Es ist ein kompliziertes Wechselspiel zwischen der positiven und der negativen Elektrode sowie dem Elektrolyten.

          Dann darf die Batterie auch nicht zu schwer sein.

          Bei einem Elektrofahrzeuge soll die Batterie natürlich kein allzu großes Gewicht haben.  Bei stationären Batterien zur Speicherung erneuerbarer Energien spielen Größe und Volumen keine große Rolle: Für mobile Anwendung will man leichte Batterien mit kompakter Bauweise und hoher Kapazität. So hat jede Anwendung ihre eigene Anforderung.

          Große Hoffnungen werden in Lithium-Schwefel-Zellen gesetzt.

          Das ist ein System mit großem Potential. Damit sind Energiedichten von 400 Wattstunden pro Kilogramm und mehr möglich. Man könnte dann mit einem Elektroauto doppelt so weit fahren. Bei der Entladung wird an der Anode Lithium abgebaut, das sich an der Kathode mit Schwefel zu Lithiumsulfid verbindet. Beim Ladevorgang bildet sich wieder Schwefel.

          Ein Problem ist hier doch die geringe Lebensdauer?

          Wir haben in den vergangenen Jahren beträchtliche Fortschritte erzielt. Als wir im Jahr 2009 an Lithium-Schwefel-Batterien zu forschen begannen, betrug die spezifische Kapazität noch 500 Milliamperestunden pro Gramm und die Zahl der Lade-Entlade-Zyklen gerade mal zwanzig. Heute haben wir Systeme mit 800 Milliamperestunden pro Gramm und 1000 Zyklen. Jetzt müssen wir geeignete Elektrodenmaterialien für kommerzielle Anwendungen entwickeln.

          Wo liegen derzeit die größten Schwierigkeiten?

          Es sind wieder die Elektrodenmaterialien und der Elektrolyt. Man muss möglichst verhindern, dass der Schwefel und die Reaktionsprodukte aus der Kathode treten können und mit dem flüssigen Elektrolyten reagieren. Wir versuchen deshalb, den Schwefel in Nanoporen einzulagern, so dass er schwerer aus der Elektrode diffundieren kann. Auch das Lithium an der Anode bauen wir in Nanostrukturen ein, damit die Elektrode robuster wird. 

          Ein großes Potential sieht man auch in den sogenannten Lithium-Luft-Akkus. Hier liest man von Energiedichten um elf Kilowattstunden pro Kilogramm.

          Das ist nicht realistisch. Durchaus möglich sind 1000 bis 3000 Wattstunden pro Kilogramm. Das wäre eine Verbesserung der spezifischen Energie um einen Faktor fünf bis zehn im Vergleich zu Lithium-Ionen-Zellen. Hier gibt es aber noch große technische Schwierigkeiten. IBM will Ende dieses Jahres einen leistungsfähigen Prototypen vorstellen. Wir sind schon alle sehr gespannt.

          Die Fragen stellte Manfred Lindinger

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