Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien gesucht
Für die Elektromobilität gelten Lithium-Ionen-Batterien als nahezu alternativlos. Zumindest bis die Wasserstoffinfrastruktur steht, sind sie wegen ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte und Zyklenfestigkeit die favorisierte Speichertechnik. Allerdings fahnden Forscher in aller Welt nach Alternativen, die mehr Energie speichern und schnelleres Aufladen erlauben. Bei einigen Ansätzen wird der Strom als Elektrolyt getankt.
Superbenzin enthält rund 12 kWh/kg Energie. Bei Diesel sind es 11,8 kWh/kg. Davon sind Lithium-Ionen(Li-Ion)-Batterien weit entfernt. Sie bringen es als Hoffnungsträger der Elektromobilität derzeit auf 0,2 kWh/kg. Um die Energie von 40 l Diesel zu speichern, bräuchte es über 2 t Li-Ion-Batterie. Elektromotoren nutzen zwar Energie effizienter, doch die geringe Energiedichte der Batterien bleibt ein zentrales Problem für Elektrofahrzeuge.
Weltweit arbeiten Forscher daran, die Batterietechnik zu optimieren. Fast wöchentlich gibt es Meldungen über verbesserte Aktiv- und Trägermaterialien sowie Elektrolyte, welche die heutigen Energiedichten verdoppeln, verdreifachen oder verfünffachen sollen. So arbeiten Nano-Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) an Eisen-Kohlenstoff-Materialien, von denen Gruppenleiter Maximilian Fichtner im günstigsten Fall „eine Verbesserung der Speicherdichte von Li-Ion-Batterien um Faktor 5“ erwartet.
Neue Generation von Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Energiedichte
Fichtners Team hat ein Synthese-Verfahren für das Eisen-Kohlenstoff-Material zum Patent angemeldet, in dem die Ausgangsmaterialien mit Li-Salz gemischt und erhitzt werden. Dabei bilde sich ein stabiles, von leitenden Kohlenstoffadern durchzogenes Aktivmaterial. Schon im jetzigen Forschungsstadium übertreffe die Speicherkapazität des Materials jenes heutiger Akkumaterialien um das Doppelte, melden die KIT-Forscher.
Der japanische Technologiekonzern Sumitomo Electric Industries (SEI) erprobt derweil ein neues Trägermaterial für Elektroden, das die bisher verwandten Folien aus Aluminium (Al) ersetzen soll. Der von SEI produzierte „Aluminium-Celmet“ ist ein poröser Al-Schaum, bei dem geschäumter Kunststoff mit Al beschichtet wird. Anschließend wird der Kunststoff thermisch beseitigt. Mit Nickel ist der Prozess etabliert.
Unter anderem stellt SEI den „Nickel-Celmet“ als Elektrodenmaterial für Nickel-Metall(NiMH)-Hydrid-Akkus her. Analog soll nun Aluminium-Celmet für Li-Ion-Batterien genutzt werden, der laut Hersteller nicht nur leicht und korrosionsbeständig ist, sondern auch hervorragend leitet und dank seiner hohen Porosität mehr Aktivmaterial aufnimmt als Folienträger. Die Energiedichte von Li-Ion-Batterien werde damit um das 1,5- bis 3-Fache steigen, kündigt SEI an. Selbst wenn sich die angekündigten Fortschritte tatsächlich einstellen, dürften die Batterien kaum mehr als 1 kWh/kg speichern. Das bleibt für lange Autofahrten mit Klimatisierung, Radio und Beleuchtung knapp bemessen.
Entsprechend suchen Forscher nach Alternativen. Prof. Robin Vanhaelst von der Wolfsburger Hochschule für angewandte Wissenschaften, Ostfalia, arbeitet an Redox-Flow-Batterien. „Sie werden durch Elektrolyt-Austausch aufgeladen“, erklärte er. Der entladene Elektrolyt wird außerhalb des Fahrzeugs mit erneuerbarem Strom aufgeladen und kann wahlweise zur Netzstabilisierung genutzt oder erneut in Fahrzeugbatterien gefüllt werden.
Redox-Flow-Batterien als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien
Bisher setzen die Forscher um Vanhaelst auf Vanadium, das nicht nur 10 000-mal be- und entladen werden kann, sondern dabei auch 86 % der zugeführten Energie nutzt. Nachteil: Die Energiedichte lässt mit 30 Wh/kg zu wünschen übrig. Um 10 kWh Strom zu laden, braucht es also 300 l Elektrolyt, der 400 kg wiegt. „Das ist natürlich für Pkw unrealistisch“, räumte er ein. Nur für Nischenfahrzeuge sei der jetzige Elektrolyt geeignet.
Doch mit verbesserten Elektrolyten könnte das Tankkonzept für Batterien aufgehen. An Bord strömen die ionisierten Elektrolyte durch Kollektoren aus porösem Grafitflies, die ionendurchlässige Membranen trennen. Nach dem Entladen fließt der Elektrolyt in einen zweiten Tank, aus dem er an der „Tankstelle“ abgesaugt wird.
Geladen wird in stationären Redox-Flow-Batterien, in denen der Prozess unter Stromzufuhr einfach umgekehrt wird, oder wie bei normalen Stromern an der Steckdose. Vorteil: Die Ladeinfrastruktur ist leicht skalierbar und der Elektrolyt kann geladen werden, wenn reichlich Strom aus Wind und Sonne vorhanden ist. „Als Puffer könnten Tankstellen Elektrolyt in ihren unterirdischen Tanks lagern“, so Vanhaelst.
Die Kosten von Redox-Flow-Batterien gibt der Wissenschaftler mit 100 € bis 150 € je kWh an, Li-Ion-Batterien kosten aktuell mindestens das Dreifache. Zudem liegt die Lebensdauer der Flow-Batterien mit 40 Jahren deutlich höher und ihr Betrieb erfordert kein aufwendiges Batteriemanagement. „Eine einfache Pumpensteuerung reicht“, erklärte der Wissenschaftler. Er rechnet damit, dass auch das Problem der geringen Energiedichte in naher Zukunft behoben wird, da sich weltweit Forscherteams auf die Suche nach besseren Elektrolyten gemacht hätten.
MIT in Cambridge erforscht Flow-Konzept und geeignete Elektrolyte
Am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts/USA, wird u. a. am Flow-Konzept und geeigneten Elektrolyten geforscht. Das Team um die Materialwissenschaftler W. Craig Carter und Yet-Ming Chiang meldete jüngst die Entwicklung eines Elektrolyts, der 10-mal mehr Energie speichere, als bisherige Nachfüll-Elektrolyte. Dank der hohen Energiedichte könne er extrem langsam durch die Batterien gepumpt werden, er krieche förmlich. Weil Farbe und Konsistenz an Rohöl erinnern, nennen ihn die Forscher „Cambridge Crude“.
Cambridge Crude verbinde die Flow-Technologie mit der Li-Ion-Chemie. In früheren Aufsätzen geben die Forscher Hinweise auf den Inhalt des Elektrolyts. Danach experimentierten sie mit nahezu allen in der Batterieforschung gängigen Lithium-Metallverbindungen wie LiNi0.5Mn1.5O4, Li4Ti5O12, LiCoO2 und LiPF6, die sie teils in Acryl-Carbonat-Lösung, teils in Ethylen-Carbonat und Dimethyl-Carbonat lösten.
Chiang, geistiger Vater des MIT-Spinn-offs A123 Systems, sieht in der „Halbfesten Flow-Batterie“ eine Ergänzung zu herkömmlichen Li-Ion-Batterien. Für Elektrogeräte seien sie ungeeignet, für Fahrzeuge und stationäre Einsätze dagegen vielversprechend. Zusammen mit Carter begleitet er nun die Ausgründung 24M Technologies, die für die Entwicklung der Technologie zur Marktreife bereits 16 Mio. $ Venture Capital eingesammelt hat.
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