Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/akkutechnik-in-zukunft-kommen-akkus-mit-weniger-seltenen-rohstoffen-aus-2002-146190.html    Veröffentlicht: 18.02.2020 09:00    Kurz-URL: https://glm.io/146190

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.

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.

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.

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.



Schwefel im Akku

Schwefel ist nicht nur billig und häufig, ein Schwefelatom kann in der Kathode auch gleich zwei Lithium-Atome binden und wieder abgeben. In herkömmlichen Kathoden wird nur ein Lithium-Atom an ein Kobalt- und zwei Sauerstoffatome gebunden, die zusammen die dreifache Masse eines Schwefelatoms haben. In der Theorie lässt sich damit die Kapazität eines Akkus vervielfachen.

In der Praxis gibt es aber erhebliche Probleme. So wurde Anfang 2020 ein Akku mit dieser Technik vorgestellt, der aber nur eine Kapazität von 120 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) hatte. Die Angabe fand sich weder in den Pressemeldungen der Universität noch im Text des Papers, sondern nur im Anhang. Das ist weniger als die Hälfte der Kapazität eines aktuellen Lithium-Ionen-Akkus - und es ist nicht das einzige Problem mit dieser Technik.

Die positive Schwefelkathode schwillt um 80 Prozent an, wenn sie die Lithium-Ionen beim Entladen des Akkus aufnimmt. Je dicker die Kathode ist, desto größer werden die dabei auftretenden mechanischen Kräfte, die drohen, das Kathodenmaterial auseinanderzureißen. Erschwerend kommt hinzu, dass der Schwefel mit Graphit gemischt werden muss, weil der Schwefel allein keinen Strom leitet. Um die Standkraft der Kathode zu verbessern, haben die Forscher nicht nach neuen Stoffen gesucht, sondern ein Bindemittel entwickelt, mit dem die Lebensdauer der Kathode bei langsamen Lade- und Entladezyklen auf 200 Zyklen verlängert werden konnte.

Lithium-Schwefel-Akkus brauchen leichtere Anoden

Das war ein großer Fortschritt. Denn die gleiche Technik könnte auch auf der Seite der negativen Anode angewendet werden, die das Lithium beim Laden des Akkus aufnimmt. Das Volumen der heute gebräuchlichen Graphit-Anoden nimmt beim Ladevorgang nur wenig zu, so dass die Anode nicht zu bröckeln droht. Aber es sind etwa 10 Gramm Graphit nötig, um ein Gramm Lithium aufzunehmen - und das Graphit macht etwa die Hälfte des Gewichts des Akkus aus. Anoden aus Silizium hätten theoretisch die zehnfache Kapazität, schwellen dabei aber um das Vierfache an und zerstören sich selbst. Ohne bessere Anoden sind Lithium-Schwefel-Akkus aber kaum zu gebrauchen.

Lithium-Schwefel-Akkus haben nämlich noch ein Problem, das nicht umgangen werden kann. Sie haben mit 2 Volt nur die halbe Spannung der herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Die Spannung ist ein Maß dafür, wie viel Energie die Elektronen eines Lithium-Atoms im Akku speichern und wieder abgeben können. Die Technik verdoppelt also notwendigerweise den Lithium-Verbrauch pro kWh. Doppelt so viel Lithium bedeutet aber auch, dass die Anode im geladenen Akku die doppelte Menge Lithium aufnehmen muss. Eine doppelt so große Graphit-Anode wäre aber auch doppelt so schwer und und würde so alle Gewichtseinsparungen der Kathode zunichtemachen.

Eine höhere Speicherkapazität hat solch ein Akku also nur, wenn die Lithium-Speicherung in der Anode mit deutlich weniger Gewicht als bisher auskommt.



Das beste Anodenmaterial ist kein Anodenmaterial

Die leichtest mögliche Anode ist eine, die das Lithium als Metall speichert, ganz ohne irgendein Trägermaterial wie Graphit oder Silizium. Theoretisch ist das die beste Lösung und auch praktisch funktioniert die Technik schon, weshalb sie beim Prototyp des Lithium-Schwefel-Akkus auch verwendet wurde. Aber die Technik ist noch zu schwer und unausgereift, um wirklich Gewicht einzusparen. Denn sie benötigt einen dicken und schweren Separator aus Glasfasern, der mit Graphit überzogen ist, und außerdem einen großen Überschuss an Lithium, damit sich die Lithium-Anode beim Ladevorgang nicht vollständig auflöst.

Sollten die leichteren Anoden einmal besser funktionieren, könnten sie auch herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus zu etwa der doppelten Kapazität verhelfen, ganz ohne Schwefelkathoden und deren hohen Lithium-Verbrauch. Mit denen gibt es ohnehin noch ein anderes Problem: Das neue Bindemittel macht die Schwefelkathode nur mechanisch stabil. Chemisch löst sich mit jedem Ladezyklus ein Teil der Kathode in Form von Lithium-Polysulfiden auf und zersetzt dabei das Elektrolyt im Akku. Der Prozess ist nur teilweise umkehrbar und so geht dem Akku irgendwann entweder die Kathode oder das Elektrolyt aus.

Eine mögliche Lösung dafür wären feste Elektrolyten. Dann würden sich die Polysulfide nicht von der Kathode entfernen und der Prozess wird umkehrbar. Außerdem würde so ein Elektrolyt auch die Feuergefahr der Akkus senken. Wenn Lithium-Ionen sich nun aber durch einen Feststoff hindurch bewegen müssen und nicht durch eine Flüssigkeit oder ein Gel, ist das mit großem elektrischen Widerstand verbunden. Schon bei Zimmertemperatur ist die Leitfähigkeit der festen Elektrolyten stark eingeschränkt. Die meisten Akkus dieser Bauart werden im Labor bei Temperaturen über 60 Grad demonstriert, wärmer ist besser. Verbesserungen sind hier aber nicht ausgeschlossen.

Lithium-Schwefel-Akkus sind nichts für große Technik

Für Spezialanwendungen mit maximaler Speicherdichte wie Kameradrohnen, Handys oder Laptops wären Lithium-Schwefel-Akkus sehr attraktiv, wenn sie einmal funktionieren. Eine komplette Umstellung auf Lithium-Schwefel-Akkus würde die globale Lithium-Versorgung nur unnötig belasten - und die ist für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus generell eine große Herausforderung. Die Forschung am Lithium-Schwefel-Akku lohnt sich dennoch, denn von den meisten Lösungen für die Probleme der Lithium-Schwefel-Akkus könnten auch andere Lithium-Akkus profitieren.

Über die Hälfte des Lithiums wird heute in großen Tagebauen aus lithiumhaltigem Gestein in Australien gewonnen. Der Stoff ist so selten, dass etwa eine Tonne Gestein verarbeitet werden muss, um ein Kilogramm Lithium zu gewinnen. Im Jahr 2020 ist weltweit eine Produktion in der Größenordnung von 100.000 Tonnen Lithium zu erwarten. Die Hälfte davon geht in die Akku-Produktion. Die zwangzigfache Produktion, genug für etwa 40 kWh pro weltweit hergestelltem Fahrzeug, ginge mit dem Abbau von über zwei Milliarden Tonnen Gestein pro Jahr einher. Das entspricht etwa einem Würfel von einem Kilometer Kantenlänge. Das wäre genug, um bei heutiger Technik geschätzt 8.000 GWh an Lithium-Ionen-Akkus herzustellen - wahrscheinlich genug für die weltweite Fahrzeugproduktion.

Dieser Produktionsbedarf könnte langfristig durch Recycling gesenkt werden. Aber zurzeit sind zu wenige Lithium-Ionen-Akkus im Umlauf, als dass Recycling einen nennenswerten Beitrag zur notwendigen Vervielfachung der Lithium-Versorgung leisten könnte. Der Abbau der notwendigen Lithium-Mengen, um überhaupt genug Lithium im Umlauf zu haben, wäre durchaus möglich. Er ist aber wegen der Umweltschäden, wegen des Aufwandes und der Kosten nicht unbedingt wünschenswert. Deshalb wird an Akkus mit ausreichender Leistung ohne seltene Rohstoffe gearbeitet.

Dabei ist Natrium eine mögliche Alternative zu Lithium.



Natrium kann Lithium ersetzen

Natrium ist in praktisch unbegrenzten Mengen verfügbar. Allein in Deutschland sind mehrere Hundert Millionen Tonnen Natrium in Form von Salzhalden aus dem Kalibergbau verfügbar. Es gibt auch noch andere mögliche Rohstoffe für die Akku-Produktion, die ähnlich häufig sind, wie Magnesium, Kalium, Kalzium oder Aluminium. Natrium ist Lithium aber am ähnlichsten, so dass ein großer Teil der für Lithium-Ionen-Akkus entwickelten Technik und Forschung mit einigen Änderungen auch für Natrium-Ionen-Akkus verwendet werden kann.

Anfangs wurden Lithium- und Natrium-Ionen-Akkus parallel entwickelt. Die Forschung konzentrierte sich jedoch auf Lithium-Ionen-Akkus, nachdem geeignete Materialien für Kathoden und Anoden gefunden waren. Wegen der Rohstoffknappheit wächst das Interesse an Natrium-Ionen-Akkus allerdings seit Jahren stark an.

Der große Nachteil von Natrium ist das Gewicht der Natrium-Atome. Sie sind etwa dreimal so schwer wie Lithium-Atome. Ein etwas geringeres elektrochemisches Potenzial senkt zudem noch die Spannung um 0,3 Volt, wodurch die theoretische maximale Kapazität von Natrium-Ionen-Akkus bei etwas weniger als einem Drittel eines Lithium-Ionen-Akkus liegt. Allerdings nur, wenn der Akku aus nichts anderem als Natrium oder Lithium besteht. Denn tatsächlich stellt das aktive Material nur einen kleinen Teil des Gesamtgewichts des Akkus dar, so dass der Unterschied in der Praxis kleiner ausfällt.

Die britische Firma Faradion stellt zu Demonstrationszwecken Natrium-Ionen-Akkus in Kleinserie her und ist gerade auf der Suche nach Investoren. Faradion verspricht 30 Prozent Kostenersparnis in der Massenproduktion. Die Akkus von Faradion haben eine Energiedichte von 140 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg), aber nur eine Lebensdauer von wenigen Hundert vollen Ladezyklen, vergleichbar mit Lithium-Ionen-Akkus vor 20 Jahren.

Es gab große Fortschritte seit 2018

Diese Technik ist schon einige Jahre alt, in den vergangenen zwei Jahren wurden aber große Fortschritte gemacht. Inzwischen demonstrierten Forscher in mehreren Veröffentlichungen, dass bei ähnlicher Kapazität weit über 1.000 Ladezyklen möglich sind - wobei die Wissenschaftler von über 200 Wh/kg schreiben, dabei aber das Gewicht von Gehäuse, Elektroden und Elektrolyt unterschlagen haben, um höhere Zahlen nennen zu können.

Der Grund für die Fortschritte war die Entwicklung einer stabileren Anode für Natrium-Ionen-Akkus. Die Natrium-Ionen sind etwas größer als Lithium-Ionen, so dass sie nicht einfach in den gleichen Graphit-Anoden zwischen den Kohlenstoff-Schichten gespeichert werden können. Der Platz ist dafür etwas zu eng. Auf der Suche nach geeigneten Materialien landeten die Forscher letztlich doch wieder beim Kohlenstoff, allerdings in Form von verkohlter Biomasse, in diesem Fall Pappelholz. Die Mikrostruktur ist offensichtlich geeignet, um nach einer chemischen Behandlung Natrium-Ionen aufzunehmen und wieder abzugeben. Mit rund 300 Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) ist deren Kapazität auch fast auf dem Niveau von Graphit in Lithium-Ionen-Akkus.

Wie genau die Natrium-Ionen chemisch in dem verkohlten Pappelholz eingelagert werden, bleibt unklar. Es gibt aber eine große Zahl von wissenschaftlichen Publikationen, in denen unterschiedliche Ausgangsstoffe untersucht wurden, wie verschiedene Nussschalen, Maiskolben, Zucker, Pektin, Pech, Kohle und viele andere. Das Resultat sind funktionierende Anoden, die eine große Zahl von Ladezyklen ermöglichen.

Damit wird in den nächsten Jahren die Optimierung der Kathoden in den Vordergrund rücken. Die besten davon haben nämlich nur eine Kapazität von rund 170 mAh/g, was die maximal mögliche Energiedichte stark begrenzt. Wenn darin auf seltene Rohstoffe ganz verzichtet werden soll, sind die Zahlen noch schlechter, aber immerhin ist es möglich.

Billige Kathoden in Preußischblau

Die leistungsfähigsten Kathodenmaterialien sind derzeit geschichtete Metalloxide aus einer Eisen-Mangan-Mischung. Sie benötigen aber Beimischungen aus Nickel und teilweise auch Kupfer, um über viele Ladezyklen stabil zu bleiben. Ursprünglich bestanden die Kathoden nur aus Manganoxid, zersetzten sich aber zu schnell. Dieser Zersetzungsprozess wurde erst im vergangenen Jahr überhaupt verstanden: Er entsteht durch Verunreinigungen mit Wasserstoff. Es wird einige Zeit dauern, bis diese Erkenntnis zu Verbesserungen in der Technik führt.

Derweil kann auch ganz auf seltene Rohstoffe verzichtet werden, wenn auch zu Lasten der Kapazität. Kathoden aus sogenannten Preußischblau-Analogen können in der Kathode verwendet werden, um Natrium aufzunehmen. Das sind Komplexverbindungen aus Hexacyanoferrat, Eisen, Stickstoff und Kohlenstoff, zu denen noch ein weiteres Metallatom hinzukommt. Das kann nochmals Eisen sein, aber mit dem vergleichsweise häufigen Mangan konnten leistungsfähige Akkus mit über 1.000 Ladezyklen gebaut werden. Die Kathoden erreichen damit nur noch rund 140 mAh/kg, etwa 20 Prozent weniger Ladung. Die Energiedichte liegt dann auf dem Niveau von Nickel-Metallhydrid-Akkus, aber ganz ohne die Verwendung von Nickel und seltenen Erden.

Wenn sich die aktuellen Laborergebnisse auch in der Praxis umsetzen lassen und sich Investoren für die Großproduktion finden, könnten sich Natrium-Ionen-Akkus in vielen Bereichen einsetzen lassen. Sie wären in Energiedichte, Zyklenfestigkeit und Leistung den Bleiakkus weit überlegen. Dank der reichlich vorhandenen Rohstoffe sollten sie sogar billiger in der Herstellung sein. Besonders in stationären Anwendungen, bei denen das Gewicht eine kleinere Rolle spielt, wären sie dann ein vollständiger Ersatz für Lithium-Ionen-Akkus.

Natrium-Ionen-Akkus brauchen von Anfang an Massenproduktion

Schnelle Fortschritte in der Forschung sind dabei Fluch und Segen zugleich. Niemand will Hunderte Millionen oder Milliarden Euro in Anlagen investieren, deren Technik schon veraltet ist, bevor die Produktion überhaupt begonnen hat. Außerdem muss die Produktion von Anfang an in großen Anlagen erfolgen, um niedrige Stückkosten zu erreichen. Dafür müssen Investoren aber sicher sein können, dass die Technik auch zuverlässig funktioniert und die Akkus deutlich billiger hergestellt werden können.

Obwohl die Technik funktioniert, wird wohl auch in den nächsten Jahren noch kein Natrium-Ionen-Akku im allgemeinen Verkauf sein. Denn das birgt ein viel größeres unternehmerisches Risiko als der Versuch, einen Akku auf den Markt zu bringen, der allen anderen Akkus technisch überlegen ist. Ein überlegener Akku kann in kleinen Stückzahlen zu hohen Preisen verkauft werden. Denn es gibt immer Anwendungen, in denen Akkus nur einen kleinen Teil der Kosten ausmachen und die höhere Leistung wichtig ist. Sobald der Produktionsprozess funktioniert, kann die Produktion ausgeweitet werden. Akkus, die nur über den Preis konkurrenzfähig sind, müssen dagegen sofort in Massenfertigung hergestellt werden, damit das Geschäftsmodell überhaupt funktionieren kann.

Klar ist aber: Es muss nach Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku gesucht werden, denn die Rohstoffknappheit in der Produktion von Lithium-Ionen-Akkus ist keineswegs eingebildet. Selbst wenn genug Lithium und Nickel gefördert werden kann, sind die Stoffe so selten, dass der Prozess notwendigerweise mit großem Aufwand und Umweltschäden verbunden ist. Deshalb stehen die Chancen für den nötigen unternehmerischen Durchbruch in der Produktion von Natrium-Ionen-Akkus langfristig sehr gut. Lithium-Ionen-Akkus sind zwar die beste mögliche Akku-Technik, sie sind aber nicht die einzige. Für alle Anwendungen, die nicht unbedingt die beste Technik benötigen, gibt es Alternativen mit weniger seltenen Rohstoffen.

Für die Speicherung von sehr großen Energiemengen sind Akkus allerdings generell nicht geeignet. Um auch nur den deutschen Strombedarf von einer Woche zu speichern, sind 12.000 GWh Kapazität nötig, das 50-Fache der weltweiten Akku-Produktion pro Jahr. Dabei stellt Deutschland nur ein Prozent der Weltbevölkerung dar. Die Optionen dafür besprechen wir in Teil 2.

 (fwp)


Verwandte Artikel:
Elektroautos: BASF baut Kathodenfabrik in Brandenburg   
(12.02.2020, https://glm.io/146599 )
Akku-FAQ: Woher kommen die Rohstoffe für E-Autos?   
(17.10.2019, https://glm.io/144291 )
Jobverluste in der Autobranche: E-Autos sind nicht an allem schuld   
(27.01.2020, https://glm.io/146261 )
Akku-FAQ: Vergesst den Memory-Effekt - vorerst!   
(26.09.2019, https://glm.io/143433 )
Akku-FAQ: Wo bleiben billige E-Autos?   
(02.09.2019, https://glm.io/143252 )

© 1997–2020 Golem.de, https://www.golem.de/