Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/akkutechnik-was-wenn-nicht-lithium-1704-127236.html    Veröffentlicht: 20.04.2017 12:00    Kurz-URL: https://glm.io/127236

Akkutechnik

Was, wenn nicht Lithium?

Lithium-Akkus liefern heute Strom für alles - vom Handy bis zum Elektroauto. Aber was, wenn das Lithium knapp und zu teuer wird? Wissenschaftler arbeiten längst an Alternativen.

Auf der Suche nach einer Batterie mit möglichst hoher Kapazität sind Forscher mit dem Lithium-Akku fündig geworden. Inzwischen gibt es allerdings Befürchtungen, dass wichtige Rohstoffe wie Lithium und Kobalt knapp werden, wenn solche Akkus auch in großen Mengen für Fahrzeuge und zur Speicherung im Stromnetz produziert würden. Nach Alternativen zur Lithium-Ionen-Technik wird längst geforscht.

Auf der Suche nach einem Ersatz für Lithium nehmen Forscher das Periodensystem der Elemente systematisch unter die Lupe. Vor allem Elemente der ersten Hauptgruppen kommen infrage, also Elemente, die Elektronen abgeben können. Außerdem sollten die Atome möglichst leicht sein, denn die Energie zur Abgabe eines Elektrons bewegt sich immer ungefähr in der gleichen Größenordnung. Je schwerer die Atome eines Elements, um so weniger Energie kann damit im Vergleich zur Masse gespeichert werden.

Natrium-Batterien werden schon gebaut

Der erste brauchbare Kandidat ist Natrium. Beryllium und Bor sind viel zu selten, aber Natrium kann in beliebigen Mengen aus Meer- und Steinsalz gewonnen werden. Es befindet sich in der ersten Hauptgruppe und hat damit ähnliche chemische Eigenschaften wie Lithium, ist aber dreimal so schwer. Das begrenzt die theoretische Speicherfähigkeit von Natrium-Akkus, aber auch in Lithium-Akkus macht das Lithium nur einen sehr kleinen Teil des Gewichts aus.

Die ersten Natrium-Schwefel-Akkus wurden vor 50 Jahren bei der Ford Motor Company entwickelt. Die Akkuzellen erreichten schon damals eine Energiedichte von 133 Wattstunden pro Kilogramm, besser als aktuelle Lithium-Eisenphosphat-Zellen. Die hohe Energiedichte erreichten sie, weil die Anode aus reinem Natrium besteht, was bei Lithium-Akkus immer noch eine experimentelle Technik ist. Was hier nach einem idealen Ersatz klingt, birgt aber tatsächlich einige große Probleme.

Natrium-Schwefel-Akkus sind heiße Teile

An reinen Natriumanoden würden Verästelungen beim Laden des Akkus entstehen, wie beim Lithium-Akku auch. Aber dieses Problem umging Ford ganz einfach. Es ist ein Hochtemperaturakku, der bei rund 300 Grad Celsius betrieben wird. Damit ist sowohl die Natriumanode als auch die Schwefelkathode flüssig und es kann keine Verästelung entstehen. Zwischen der Natriumanode und der Schwefelkathode befindet sich eine Membran als fester Elektrolyt, der aus Aluminiumoxid erzeugt wird.

In der Kathode entstehen dabei Natriumsulfide aus je zwei Natrium- und drei Schwefelatomen und geben dabei Energie ab. Diese sind aber nur noch bei den hohen Temperaturen flüssig. Das nächste Problem ist die schlechte elektrische Leitfähigkeit von Schwefel und den Sulfiden. Die Schwefel-Kathode besteht deshalb zu einem großen Teil aus Graphit, ohne das der Akku kaum Strom abgeben könnte.

Keines der Materialien ist knapp. Aber die Akkuzellen benötigen eine ganze Infrastruktur, um die Temperaturen zu halten und die Zellen vor Beschädigung zu schützen. Dazu werden die Akkus isoliert, versiegelt und die Akkuzellen in Sand verpackt. Flüssiges Natrium ist feuergefährlich und kann nur durch bestimmte Löschpulver gelöscht werden. Entsprechend muss die ganze Anlage auf Sicherheit ausgelegt werden. Es ist nicht der Ford Motor Company geschuldet, dass diese Batterien nicht in Autos eingesetzt werden.

Trotzdem wurde die Technik weiter verfolgt und verbessert. Die Akkus werden in speziellen Containern geliefert und wiegen mehrere Tonnen, um große Energiemengen in Stromnetzen zwischenzuspeichern. In dieser Form speichert der Akku rund 100 Kilowattstunden pro Tonne Gewicht. Bei der Entwicklung dieser Akkus haben sich vor allem die Stadtwerke von Tokyo verdient gemacht - die Tokyo Electric Power Company - TEPCO.

Inzwischen läuft aber auch die Entwicklung von Natrium-Ionen-Akkus, die bei Zimmertemperatur funktionieren.

Akkuforscher bewahren einen kühlen Kopf

Akkus auf Basis von Natrium-Ionen lassen sich auch bei Zimmertemperatur betreiben. Das Prinzip ist dabei das gleiche wie beim Lithium-Ionen-Akku. Anfangs wurden beide Technologien gleichzeitig entwickelt, bis die Entwicklung der ersten praxistauglichen Lithium-Ionen-Akkus einen Großteil der Forscher dazu veranlasste, zunächst weiter an dieser Technologie zu arbeiten.

Wegen der chemischen Ähnlichkeit der beiden Elemente liegt es nahe, zunächst alle Methoden aus der Lithium-Ionen-Technologie auch auf Natrium anzuwenden. Die Resultate waren durchwachsen. Ein Natrium-Ion ist etwas größer als ein Lithium-Ion. In der Anode lässt es sich deshalb nicht so leicht zwischen Graphitschichten einlagern wie Lithium und auch in der Kathode war der bloße Ersatz von Lithium durch Natrium nicht sehr erfolgreich.

Auf der Suche nach einer Anode blieben die Forscher zunächst beim Kohlenstoff. Nur sehr kleine Partikel von Kohlenstoff können größere Mengen von Natrium aufnehmen, wenn der Akku langsam geladen und bei erhöhten Temperaturen betrieben wird. In den vergangenen Jahren wurden in Laborexperimenten immer bessere Anodenmaterialien entwickelt, die auf Kohlenstoffnanoröhren und Graphen basieren.

Phosphor speichert viel, aber langsam

Wobei im vergangenen Jahr die besten Resultate mit einer Kombination aus Phosphor und Kohlenstoff erzielt wurden. Der Kohlenstoff soll den Phosphor stabilisieren, weil sich der Phosphor beim Einlagern des Natriums sonst zu stark ausdehnt. Das alles geht aber mit Ladezeiten von etwa sieben Stunden einher. Bei schnellerer Ladung erreichen sie nur noch einen Bruchteil ihrer Kapazität.

Die Suche nach einer geeigneten Kathode begann beim Lithium-Ionen-Akku. In den Lithium-Kobalt-Oxid- und den Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden wurde Lithium durch Natrium ersetzt. Aber die Kathoden setzten zunächst kaum Natrium frei und selbst nach einiger Forschungsarbeit konnte keine der Kathoden der Leistung von Lithium-Ionen-Akkus nahe kommen. Inzwischen werden neue Materialien auf der Basis von Eisensulfat und Eisen-Mangan-Oxiden entwickelt, die tatsächlich auf eine Parität mit Lithium-Akkus hoffen lassen, ohne knappe Rohstoffe zu beanspruchen. Zuvor ist aber noch viel Entwicklungsarbeit nötig.

Magnesium bringt zwei Elektronen pro Atom

Gleich neben Natrium liegt im Periodensystem der Elemente das Magnesium. Es kann gleich zwei Elektronen abgeben und hat den weiteren Vorteil, dass es in der Anode in Reinform vorliegen kann und beim Laden keine Verästelungen bildet, die zu Kurzschlüssen und Kapazitätsverlusten führen können. Dafür muss für eine funktionierende Magnesium-Ionen-Batterie eine völlig neue Chemie entwickelt werden, die nicht auf die Ergebnisse von Lithium-Ionen-Akkus zurückgreifen kann. Entsprechend ist das Forschungsgebiet noch wenig entwickelt. Besonders die Entwicklung geeigneter Elektrolyte bereitet Probleme.

Die besten Elektrolyte, um Magnesium-Ionen im Akku zu transportieren, sind Chlorverbindungen, die äußerst korrosiv sind und die Batterie im Betrieb zerstören würden. Die elektrischen Kontakte werden dabei für Laborexperimente aus Platin gefertigt. Um andere Materialien verwenden zu können, muss die Spannung des Akkus begrenzt werden, was die Energiedichte verringert. Eine Kathode, die eine hohe Leistung über viele Zyklen liefert, wurde auch noch nicht gefunden.

Ein Magnesium-Schwefel-Akku hätte dank der reinen Magnesium-Anode in der Theorie zwar die vierfache Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Akkus, aber die Magnesium-Ionen reagieren zu leicht mit dem Schwefel, wodurch die Kapazität nach wenigen Zyklen zusammenbricht. Die Forscher hoffen auf die Entwicklung eines festen Elektrolyten, mit dem die Korrosion kein Problem mehr wäre. Aber feste Elektrolyte sind nur in Ausnahmefällen gute Ionenleiter bei Zimmertemperatur. Ein Durchbruch ist nicht auszuschließen, aber in nächster Zeit ist keiner zu erwarten.



Auch Aluminium-Ionen-Akkus haben es schwer am Markt

Die größte Schwäche der Aluminium-Ionen-Akkus ist derzeit ihre Energiedichte. Mit 40 Wattstunden pro Kilogramm bewegt sie sich auf dem Niveau von Blei-Akkus, wenn nur das Gewicht der Elektroden und des Elektrolyten berücksichtigt wird. Eine vollständige Akkuzelle hätte eine nochmals deutlich niedrigere Energiedichte. Die Kapazität konnte in Experimenten zwar noch einmal verdoppelt werden, allerdings nur mit einer Kathode aus einem Schaum aus plasmageätzten Graphenstreifen statt eines Graphitschaums.

Der Aufwand hat einen guten Grund. Während die Kapazität der Akkus niedrig ist, konnten sie ungewöhnlich hohe Ladeströme und viele Ladezyklen verkraften. Das vollständige Laden dauert nur eine Minute. Insofern eine einfache Kathode aus Graphit verwendet wird, wären auch die Rohstoffe billig und leicht zu beschaffen. Technisch könnten sie Blei-Akkus in Autos ersetzen und durch die Schnellladung auch ganz neue Anwendungen möglich machen. Allerdings ist die Forschung noch nicht weit fortgeschritten und es gibt keine Industrieanlagen, die solche Batterien sofort fertigen könnten.

Die Forschung an Aluminium-Ionen-Akkus ist zwar schon Jahrzehnte alt, aber erst seit 2010 wurde das Feld gezielt gefördert und es hat noch viel Potenzial. Aluminium liegt neben Magnesium in der dritten Hauptgruppe des Periodensystems. Es kann gleich drei Elektronen abgeben, was in der Theorie eine ähnliche Energiedichte wie Lithium ermöglicht. Die Praxis ist davon noch weit entfernt. Paradoxerweise verzögert hier die Möglichkeit einer starken Verbesserung die Einführung auf dem Markt.

Noch ist Lithium zu billig

Die Umsetzung einer solchen Technologie in ein fertiges Produkt benötigt nicht nur viel Zeit, sondern auch hohen Kapitalaufwand. Dazu kommt die technologische Unsicherheit, ob der angestrebte Produktionsprozess überhaupt zuverlässig und wirtschaftlich funktioniert. Diese Entwicklungsarbeiten sind oft mit noch größerem Aufwand und größeren Unsicherheiten als die Entwicklung eines neuen Akkus verbunden. Dabei kann immer noch jederzeit eine verbesserte Zelle mit einer völlig anderen Technik entwickelt werden.

Ein Investor, der heute in Anlagen zum Bau solcher Akkus auf Graphitschaum-Basis investieren würde, müsste dann seine Investitionen abschreiben und wieder von vorn anfangen. Dabei findet alles auf einem etablierten Markt statt. Der Hersteller eines Aluminium-Ionen-Akkus muss sich gegen andere Konzepte bewähren und kann dabei keinen höheren Preis verlangen, nur weil seine Technik neu ist. Das Gleiche gilt auch für Natrium-Ionen-Akkus und andere Technologien.

Es darf auch nicht das Ziel der Forschung vergessen werden. Es geht nicht darum, die Lithium-Ionen-Akkus vom Markt zu verdrängen, sondern eine Alternative für den Fall zu haben, dass Lithium als Rohstoff zu knapp oder zu teuer wird. Sollte dieser Fall eintreten, ändert sich das ganze Kalkül der Investition und selbst eine unterlegene Technik hätte durch niedrigere Preise Chancen am Markt.  (fwp)


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