Batterietechnik
Das Feld der Batterietechnik umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze und Technologien. Gemein ist allen die möglichst effektive und langfristige Energiespeicherung. Vor allem im Hinblick auf den Einsatz erneuerbarer Energien und die steigende Zahl von Elektroautos werden Akkuspeicher immer wichtiger. In diesem Beitrag wollen wir einen Überblick über die verschiedenen Technologien und den aktuellen Stand der Technik geben. Außerdem schauen wir auf die Zukunft der Batterietechnik.
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Batterietechnik aktuell
Akkus sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Sie finden sich in Smartphones, Laptops und vielen anderen alltäglichen Produkten. In den meisten Fällen kommt die Lithium-Ionen-Technologie zum Einsatz. Die Vorteile dieser Energiespeicher sind vielfältig. Vor allem bei mobilen Geräten macht sich die hohe Energiedichte bemerkbar. Auf geringerem Raum kann mehr Energie gespeichert werden, was sich vor allem bei besonders dünnen Geräten bemerkbar macht. Außerdem fällt der sogenannte Memory-Effekt weg, der bei Nickel-Cadmium-Akkus auftrat. Und die Akkus können gut über einen längeren Zeitraum gelagert werden, ohne auf ein erneutes Aufladen angewiesen zu sein. Außerdem wurden in Sachen Ladezyklen in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte erzielt, die unter Laborbedingungen fünfstellige Werte ermöglichen. Die Begrenzung der Ladezyklen hängt von der Zusammensetzung einer Batterie ab.
Aufbau des Batteriespeichers
Im Inneren eines Lithium-Ionen-Akkus befindet sich eine Vielzahl von Batteriezellen mit Anode und Kathode. Diese bestehen aus Lithium-Metalloxid (Kathode) und Grafit (Anode). Außerdem besitzt jede Zelle 2 Schichten aus Aluminium und Kupfer. Zwischen Kathode und Anode bewegen sich Lithium-Ionen in einer flüssigen Elektrolytlösung. Zumindest im Fall des Ladevorgangs. Während des Entladens kehrt sich der Vorgang in die entgegengesetzte Richtung um. Diese Vorgänge sorgen dafür, dass die Lebensdauer eines solchen Akkus auf eine bestimmte Anzahl von Ladezyklen begrenzt ist. Ein Ladezyklus steht für das einmalige Entladen und das darauffolgende erneute Aufladen. Beim Alterungsvorgang verändert sich die Struktur des Akkus so, dass die Zahl der Lithium-Ionen sinkt. Das Ergebnis ist eine reduzierte Kapazität.
Batteriespeicher in Autos
Neben kleinen mobilen Geräten setzen auch Elektroautos wie Teslas Model 3 auf Akkus. In diesem Fahrzeug (und allen anderen Elektroautos) steckt ein Lithium-Ionen-Akku. Spezifischer gesagt handelt es sich meistens um Lithium-Polymer-Akkus, die auf Kunststoff als Alternative zur flüssigen Elektrolytlösung setzen. Dadurch lässt sich die Form der Batterie flexibler gestalten. Allerdings steigt das Risiko von Bränden durch Hitze während des Betriebs. Darüber hinaus ist die Herstellung der Batterien durch einen energieintensiven Prozess und seltene Rohstoff kostspielig. Und im Vergleich zum Tanken von Benzin dauert das Aufladen des Akkus trotz eines Schnellladesystems vergleichsweise lange.
Batterietechnik für erneuerbare Energien
Windenergie, Sonnenergie und Co. – an alternativen Energiequellen mangelt es nicht. Problematisch ist allerdings die unregelmäßige Verfügbarkeit. Solarstrom steht zum Beispiel nicht zu jeder Tageszeit zur Verfügung. Um neuen dezentralen Netzstrukturen und der wachsenden Elektromobilität gerecht zu werden, sind Speicher erforderlich. Lithiumbasierte Akkus wie Teslas Powerwall sind für den Hausgebrauch ausreichend. Die Industrie sucht hingegen nach besseren Alternativen. Ein gutes Beispiel sind Druckluftspeicher und Hubspeicherkraftwerke. Beide wandeln die elektrische Energie zum Speichern um und ermöglichen die Speicherung großer Energiemengen. Gegen diese Speichermöglichkeiten spricht allerdings der große Platzbedarf.
Batterietechnik in Deutschland
Im Bereich der Elektromobilität sind leistungsfähige Akkus bei Reichweite und Geschwindigkeit entscheidend. Deutsche Hersteller sind bei der Herstellung entsprechender Energiespeicher bisher und auch in naher Zukunft auf asiatische Hersteller angewiesen. Dort konnten ausgeklügelte Herstellungsprozesse entwickelt werden und das technische Know-how ist vorhanden. In Deutschland mangelt es hingegen an beidem. Darüber hinaus ist der Zugang zu Rohstoffen wie Lithium und Kobalt geografisch und finanzielle begrenzt. Zum jetzigen Zeitpunkt in die Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus zu investieren lohnt sich für deutsche Hersteller vor allem im Hinblick auf den zeitlichen Aufwand nicht. Stattdessen sollte sich Deutschland bei der Entwicklung neuer Batterietechnik auf alternative Fertigungsmethoden und Technologien konzentrieren. Derzeit wird beispielsweise an Änderungen der chemischen Zusammensetzung geforscht. Ein entscheidendes Ziel ist die Reduktion des Kobalt-Anteils. Dadurch wäre eine Senkung der Produktionskosten möglich. Zusätzlich arbeiten Forscher an möglichen Nachfolger der Lithium-Ionen-Akkus.
Die Zukunft der Batterietechnik
Lithium-Ionen-Akkus erwiesen sich bisher als gute Lösung für eine Vielzahl von Gerätetypen. Von Smartphones über Gartengeräte bis zum Elektroauto. Fest steht aber, dass sich zukünftige Anforderungen durch diese Akkus nicht erfüllen lassen. Besonders der Einsatz alternativer Energien und im Speziellen die Speicherung des gewonnenen Stroms stellt Speicherlösungen vor ganz neue Probleme. Und diese lassen sich mit Lithium-Ionen-Akkus nicht lösen. Vielerorts ist die Rede davon, dass die Entwicklung der Technik an einem Punkt angelangt ist, an dem Steigerungen der Kapazität nur noch in geringem Maß möglich sind. Außerdem sind die verwendeten Rohstoffe nicht nur umweltschädlich und werden knapper. Kobalt, welches bei der Kathode der Batterien zum Einsatz kommt, ist beispielsweise so nachgefragt, dass die Preise in den nächsten Jahren und Jahrzehnten stark ansteigen könnten. Trotzdem befinden sich viele Alternativen immer noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Als vielversprechender Nachfolger, vor allem in der Automobilbranche, gilt die Feststoffbatterie.
Die Feststoffbatterie
Sogenannte Feststoffakkumulatoren nehmen sich einiger Probleme handelsüblicher Akkus an. Wie der Name vermuten lässt, kommt keine Elektrolytflüssigkeit zum Einsatz. Stattdessen wird ein fester Elektrolytträger verwendet. Durch den Verzicht auf Flüssigkeiten sinkt der Platzbedarf in der Batterie. Denn eine im Normalfall flüssige Schicht, die einen Kurzschluss verhindert, liegt bei Feststoffbatterien ebenfalls in fester Form vor. Dadurch lässt sich die Energiedichte steigern. Der Verzicht auf Flüssigkeiten soll darüber hinaus auch Vorteile bei der Aufladung bringen. Da die Brennbarkeit deutlich geringer ausfällt, ließe sich die Ladung theoretisch deutlich schneller vornehmen. Die Hersteller sprechen davon, dass sich die Ladezeit eines Autos auf wenige Minuten reduzieren ließe. So weit ist die Technologie derzeit noch nicht. Die Autohersteller rechnen frühestens im Jahr 2025 mit dem Einsatz in ersten Fahrzeugen.