Batterien Wie die Batterie der Zukunft aussieht

Dieses Batterie-Modell polnischer Wissenschaftler basiert auf einem kristallinen Feststoff. Doch solche Feststoffzellen sind meist noch weit von der Marktreife entfernt.

(Foto: IFJ PAN)
  • Forscher haben eine neue Batterie vorgestellt, die Energie in einem Festkörper speichert.
  • Ein fester Elektrolyt hat viele Vorteile: Eine Batterie kann bei gleichem Gewicht und Volumen mehr Energie speichern.
  • Doch viele Fragen sind noch ungeklärt, zum Beispiel, welche Materialien sich am besten eignen, um die Batterien der Zukunft zu bauen.
Analyse von Christopher Schrader

Der Begriff "Solid State", zu deutsch Festkörper, hat einen guten Klang in der Technikgeschichte. In den 1950er-Jahren wurde damit für Radios geworben, die Transistoren statt empfindlicher Verstärkerröhren enthielten. Die Geräte passten in die Jackentasche, und weil junge Leute nun unterwegs Musik hörten, trug das zum Siegeszug des Rock 'n' Roll bei. Die kleinen Radios wurden zu Urahnen von Walkman, iPod und Smartphone. Auch heute weckt "Solid State" wieder große Hoffnung. Diesmal geht es um Hochleistungs-Batterien, den Herzstücken von Energiewende und Elektromobilität. Ein Team von der schweizerischen Materialforschungsanstalt Empa und der Universität Genf hat soeben eine neuartige Natrium-Feststoff-Zelle vorgestellt.

Die wichtigste Neuerung daran ist, dass die Forscher einen festen statt, wie bisher üblich, einen flüssigen Elektrolyt benutzen (Energy and Environmental Science). Diese Komponente jeder Batterie hat die Aufgabe, Plus- und Minuspol gleichzeitig räumlich zu trennen und zu verknüpfen. Es darf einerseits keinen Kurzschluss geben, andererseits müssen die Träger der positiven Ladung, die Natrium- oder Lithium-Ionen, im Inneren der Batterie von der einen zur anderen Seite gelangen können. Diese Trennung erledigt in den aktuell üblichen Batterien, vom E-Mobil bis zum iPhone, eine flüssige Schicht. "Ein festes Material in der Mitte kann sehr viel dünner sein als eine Flüssigkeitsschicht und den Anteil toten Gewichts in der Zelle reduzieren", sagt Arndt Remhof, Empa-Forscher und Leiter des Schweizer Teams. "Die Energiedichte steigt." Die Batterie speichert also bei gleichem Gewicht und Volumen deutlich mehr Energie.

Eine Steuerelektronik muss das Überhitzen verhindern. Daher die lange Ladezeit

Auch Lebensdauer und Sicherheit könnten sich verbessern, sagt Jürgen Janek von der Universität Gießen: "Der flüssige Elektrolyt ist die große Stärke und zugleich die Achillesferse der konventionellen Lithium-Ionen-Zellen. Er erreicht alle Hohlräume und garantiert den Fluss der Ionen, aber er ist auch brennbar." Zu große Ströme und zu hohe Temperaturen muss die Steuerelektronik deswegen verhindern. Das begrenzt die Ladegeschwindigkeit. Würde die flüssige Zwischenschicht durch einen Festkörper ersetzt, ließe sich der Stromspeicher anders betreiben.

Wie eine Batterie funktioniert, erklärt der Chemiker aus Gießen mit der Metapher von den zwei Parkhäusern. Sie stellen die beiden Pole des Energiespeichers dar, eine Verbindungsstraße ist der Elektrolyt, und die Autos sind die Ionen. "Sie fahren beim Laden und Entladen einfach von einem ,Parkhaus' ins andere. Das Bild zeigt schon, dass eine solche Zelle ziemlich viel Material enthält, das mit dem Energiefluss nichts zu tun hat." Gemeint ist zum Beispiel der Beton des Parkhauses. Technisch bestehen diese "Parkhäuser" am Minuspol (der Anode) aus Grafit, am Pluspol (der Kathode) aus einem Lithium-Metalloxid mit Kobalt und weiteren Metallen, und der Elektrolyt ist derzeit ein organisches Lösungsmittel, meist mit Lithium-Salz.

"In Powerpoint funktioniert alles"

Um Gewicht loszuwerden, würden Entwickler am liebsten in alle drei Komponenten Lithium einbauen. Auch die Anode soll in Zukunft aus Lithium bestehen, und zwar dem reinen Metall ohne zusätzliche Struktur. In Janeks Metapher würden sich die Autos dann ohne Parkhaus viel dichter anordnen. Das klappt jedoch mit einem flüssigen Elektrolyten bisher nicht, denn er kann nicht verhindern, dass sich an den Elektroden sogenannte Dendriten bilden: dünne Nadeln, an denen sich die wandernden Ionen wie an Stalagmiten einer Tropfsteinhöhle anlagern. Erreichen die Dendriten den Gegenpol, lösen sie einen Kurzschluss aus. Ein fester Elektrolyt könnte das erschweren und würde eine Anode aus metallischem Lithium erlauben.

Die E-Mobilität der Zukunft

Die Räder werden sicher dran bleiben, doch ansonsten wird sich bei den Elektroautos von morgen fast alles ändern. Vor allem könnten sie anders aussehen - vielleicht ein bisschen wie Raumschiffe. Von Christian Endt mehr ...

Ein geeignetes Trennmaterial zu finden, ob Glas, Keramik, Schwefel-Verbindung oder Polymer, ist jedoch mühsam. Sollte es gelingen, wäre das ein gewaltiger, höchst profitträchtiger Erfolg, der sowohl Elektroautos wie Kellerbatterien zum großen Durchbruch verhelfen würde. Mit solchen Aggregaten können Privathaushalte Strom speichern, wenn er gerade im Übermaß anfällt und billig ist, und verbrauchen, wenn er knapp und teuer wird. Bei derartigen Erfolgsaussichten ist es derzeit schwer, vollmundige Ankündigungen von wirklichem Fortschritt zu unterscheiden. Mit dem Wort "Durchbruch" gehen vor allem Startup-Unternehmen verschwenderisch um. Elon Musk, Gründer von Tesla, sagte dazu im Branchendienst Electrek: "In Powerpoint funktioniert alles."

Erste Batterien, die nach dem Konzept "Dreierlei vom Lithium" funktionieren, sind bereits auf dem Markt. In Frankreich produziert der Industriekonzern Bolloré seit Jahren Lithium-Metall-Batterien mit einem Kunststoff-Elektrolyten und betreibt damit Elektrobusse und das Elektroauto Bluecar. Der Kleinwagen fährt 250 Kilometer weit mit dem Strom aus seiner 300-Kilogramm-Batterie. Diese hat, gemessen am Stand der Technik, eine unterdurchschnittliche Energiedichte. Der Stromspeicher muss zudem ständig auf etwa 70 Grad Celsius gehalten werden, das Auto verbraucht also Strom, wenn es parkt. Dafür, so der Hersteller, enthalte die Batterie keine umstrittenen Rohstoffe wie Kobalt, das oft aus afrikanischen Minen stammt, wo Kinder ausgebeutet werden.