Akkutechnik: In Zukunft kommen Akkus mit weniger seltenen Rohstoffen aus

In unserer Artikelserie zu Akku-FAQs geht es diesmal um bessere Akkus, um mehr Akkus und um Akkus ohne seltene Rohstoffe. Den Wunderakku, der alles kann, den gibt es leider nicht. Mit Energiespeichern ohne Akku beschäftigen wir uns später in Teil 2 dieses Artikels.

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Akkufertigung bei Ford: In Zukunft werden dort noch viel mehr Akkus gebraucht als bislang.
Akkufertigung bei Ford: In Zukunft werden dort noch viel mehr Akkus gebraucht als bislang. (Bild: Rebecca Cook/Reuters)

Immer wieder versprechen Wissenschaftler und Hersteller bahnbrechende Neuerungen bei Akkus, Brennstoffzellen und anderen Energiespeichern. Neue Akkus laden angeblich schneller, haben mehr Kapazität bei gleichem Gewicht, sind nicht feuergefährlich. Manches davon ist Humbug, anderes funktioniert im Labor, braucht aber Jahre bis zur Serienreife.

Inhalt:
  1. Akkutechnik: In Zukunft kommen Akkus mit weniger seltenen Rohstoffen aus
  2. Schwefel im Akku
  3. Das beste Anodenmaterial ist kein Anodenmaterial
  4. Natrium kann Lithium ersetzen
  5. Billige Kathoden in Preußischblau

An den Reaktionen sehen wir, dass dieses Thema unsere Leser bewegt. Wir haben daher Fragen dazu gesammelt, die wir in einer Artikelserie beantworten.

Diesmal: Mich würde ein big picture interessieren: Wie steht es um die Technologie-Innovation im großen Ganzen? Welche Stoßrichtungen gibt es zum Beispiel bei Akkus und wie erfolgreich sind sie? Mich würde auch die Einschätzung von Golem.de interessieren, wie wahrscheinlich sich eine Technologie durchsetzen wird.

TL;DR: Akkus haben inzwischen genug Leistung, aber es werden viel zu wenige hergestellt. Dafür suchen Wissenschaftler nun nach Wegen, Akkus ohne seltene und teure Stoffe herzustellen, ohne zu viel Leistung einzubüßen. Trotzdem geht die Suche nach Akkus mit mehr Kapazität und Leistung weiter.

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Die Probleme der Energiespeicherung haben sich im Laufe der Zeit geändert: Als im 19. Jahrhundert die ersten Akkus erfunden wurden, gab es noch keine Generatoren für die industrielle Stromerzeugung, erst danach wurden sie überhaupt praktikabel. Im 20. Jahrhundert änderte sich das, allerdings waren Akkus damals für viele Anwendungen nicht leistungsfähig genug. Insbesondere für Elektroautos war die geringe Energiedichte von Blei- und Nickel-Cadmium-Akkus nicht ausreichend. Sie waren einfach zu schwer. Lithium-Ionen-Akkus lösten dieses Problem. Sie sind aber erst jetzt, Anfang des 21. Jahrhunderts, nicht mehr zu teuer für größere Anwendungen.

An der weiteren Verbesserung der Energiedichte wird gearbeitet. Wichtiger ist aber die weitere Senkung der Herstellungskosten und die Steigerung der Produktionsmenge, damit für neue Anwendungen wie Elektroautos genügend Akkus hergestellt werden. Der am meisten produzierte Akkutyp ist immer noch der Bleiakku - mit rund 400 Gigawattstunden (GWh) pro Jahr. Das entspricht über 400 Millionen Autobatterien, wofür aber nur ein Teil benutzt wird. Ein großer Teil kommt auch für die unterbrechungsfreie Stromversorgung, etwa in Rechenzentren oder bei Mobilfunkantennen, zum Einsatz. Die beim gleichen Gewicht viel leistungsfähigeren Lithium-Ionen-Akkus werden hingegen nur in einer Größenordnung von rund 200 GWh pro Jahr gebaut, etwa die Hälfte ist für Fahrzeuge gedacht.

Sollen künftig nur noch E-Autos fahren, würden 200 GWh den Bedarf bei weitem nicht abdecken: Weltweit werden etwa 70 Millionen Pkw und 25 Millionen kommerzielle Fahrzeuge wie Lieferwagen, Lkw und Traktoren hergestellt. Das wäre kaum mehr als eine Kilowattstunde (kWh) Lithium-Ionen-Akkus pro Fahrzeug, denn die Hälfte der Akkus werden für andere Zwecke benötigt. Aber die Produktionszahlen werden sich bereits in wenigen Jahren stark ändern, weil immer mehr Fabriken für Lithium-Ionen-Akkus gebaut werden, um der Nachfrage nach Elektroautos nachzukommen. Die Konsequenzen dieser Entwicklung werden wir im ersten Teil dieser FAQ-Ausgabe betrachten. Der zweite Teil beschäftigt sich dann mit der Speicherung großer Strommengen aus variablen Energiequellen wie Windkraft und Photovoltaik.

Kobalt in Akkus kann vermieden werden

Für die Umstellung von Verbrennungsmotoren und Ähnlichem auf Elektrotechnik ist langfristig die Entwicklung von Technologien wichtig, mit denen knappe oder teure Rohstoffe vermieden werden können. Bei Lithium-Ionen-Akkus war zunächst Kobalt der Flaschenhals in der Produktion. Zwar gibt es in etwa so viel Kobalt in der Erdkruste wie Lithium, aber ein Akku benötigt rund zehnmal so viel Kobalt wie Lithium. Durch die Entwicklung der NMC- und NCA-Kathoden konnte Kobalt in den vergangenen Jahren zu 80 bis 90 Prozent durch Nickel, Mangan oder Aluminium ersetzt werden, die viel häufiger vorkommen. Allein dadurch konnte die mögliche Produktionsmenge vervielfacht werden, bevor das Kobalt knapp wird.

Die Nickelversorgung ist ebenfalls begrenzt, wenn auch auf deutlich höherem Niveau. Allerdings könnte heute schon sowohl auf Nickel als auch auf Kobalt komplett verzichtet werden, wenn Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial verwendet würde. Doch dieses Material ist schwerer als Kobalt oder NMC-Kathoden und hat noch dazu ein geringeres elektrochemisches Potenzial. Die Akkus haben also eine niedrigere Spannung, was die Energiedichte weiter senkt. Das Resultat sind Akkus mit etwa einem Drittel weniger Energie, bei fast gleichem Verbrauch an Lithium. Dafür können diese Akkus deutlich mehr Ladezyklen verkraften.

Einen ganz anderen Kompromiss stellt der komplette Ersatz der Metalle in der Kathode durch Schwefel dar.

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Schwefel im Akku 
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wernerderchamp1 21. Jul 2020

Ist schon bekannt, wann der kommt? ist ja jetzt schon 5 Monate her

Aki-San 19. Feb 2020

Kann mich dem nur anschließen. Sehr angenehm zu lesender Artikel, wie zu erwarten gewesen...

MrAndersenson 19. Feb 2020

https://de.wikipedia.org/wiki/Metalle_der_Seltenen_Erden#Verwendung https://de.wikipedia...

Frank... 19. Feb 2020

In der Entwicklung ist es ziemlich egal, wie exotisch ein Material ist. Kein Labor dieser...



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