Wenn erneuerbare Energien die fossilen Brennstoffe jemals verdrängen sollen, müssen tragbare Energiequellen effizienter und günstiger werden.
Doch angesichts immer leistungsfähigerer und gleichzeitig immer kleinerer Elektronikgeräte können die Akkus kaum noch mithalten. Dies liegt vor allem daran, dass es zunehmend schwierig wird, immer mehr Energie in leichten Lithium-Ionen-Akkus unterzubringen und ihre Herstellung gleichzeitig günstiger zu machen.
Kaum jemand versteht die Probleme – und die möglichen Lösungen – besser als Venkat Srinivasan, führender Forscher auf dem Gebiet der Batterietechnik und Leiter des Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science (ACCESS).
„Viele Fahrzeughersteller bieten Elektroautos mit einer Reichweite von gut 300 Kilometern an. Die Kosten sind gefallen, doch das grösste Problem besteht aktuell darin, dass die Kosten der Batterien immer noch zu hoch sind“, so Srinivasan. „Elektroautos sind teurer als vergleichbare Fahrzeuge mit Brennstoffmotor. Wir müssen einen Weg finden, die Kosten der Batterien zu senken.“
Das Problem beschränkt sich nicht nur auf Autos. Es betrifft auch Häuser.
Zwar gibt es einige Regionen des Stromnetzes, in denen Lithium-Ionen-Akkus preislich konkurrenzfähig sind – etwa in Kalifornien, wo sie weniger kosten als der Bau teurer Hochspannungsleitungen – doch für den durchschnittlichen Eigenheimbesitzer sind die Kosten immer noch zu hoch.
„Wenn ich zum Beispiel eine Solaranlage auf dem Dach meines Hauses installieren und Batterien in der Garage unterbringen will, müssen diese Batterien ziemlich wenig kosten, damit sich das wirtschaftlich lohnt – etwa in der Grössenordnung von 50 USD pro Kilowattstunde, vielleicht sogar 30 USD pro Kilowattstunde in Bundesstaaten mit sehr günstigem Strom“, erklärt Srinivasan. „Das Problem ist, dass Batterien heute etwa 200 USD pro Kilowattstunde kosten. Die Preise müssen also auf ein Viertel oder Fünftel sinken.“
Auf das Material kommt es an
Die Lösung besteht darin, die Lithium-Ionen-Akkus schrittweise zu verbessern, indem Wege gefunden werden, wie sie Energie kostengünstiger speichern können, und gleichzeitig neue, innovative Materialien zum Einsatz zu bringen.
Ein Feld, auf dem derzeit geforscht wird, sind Feststoffbatterien, bei denen das Flüssigelektrolyt in der Batterie durch einen Festkörper ersetzt wird.
Zum einen sind diese Batterien sicherer, sagt Srinivasan.
Während sich Flüssig-Lithium-Ionen-Akkus schnell entzünden, wenn sie überhitzen, stellen die stabileren Feststoff-Modelle, die derzeit erforscht werden, eine Rückbesinnung auf die Vergangenheit dar – wenn auch mit einem Plus an Wiederaufladbarkeit.
„Vor zwanzig, dreissig Jahren haben wir alle Armbanduhren getragen, in denen Lithium-Metall-Batterien steckten. Unsere Taschenlampen und unsere Kameras hatten Lithium-Metall-Batterien. Doch sie waren nicht wiederaufladbar“, so Srinivasan.
Bei dem Versuch, solche Feststoffbatterien wiederaufzuladen, bildet das Lithium Dendriten – nadelähnliche Strukturen – aus, die letztlich zum Kurzschluss in der Batterie führen, sodass sie überhitzen und in Brand geraten kann. Um eine Lösung für dieses Problem zu finden, hilft es, sich die Dendriten wie die Wurzeln eines Baums vorzustellen.
„Eine Wurzel kann man am Wachstum hindern: Man blockiert ihr einfach mit einer schweren Stahlplatte den Weg – und voilà! – fertig. Es wäre jederzeit möglich gewesen, mechanisch hochbelastbare Materialien zu finden und sie in eine Batterie einzubauen, um das Wachstum eines Dendriten aufzuhalten. Das Problem bestand immer darin, dass die Leitfähigkeit des Materials so schlecht war“, erklärt Srinivasan.
Doch vor einigen Jahren entdeckten Forscher in Japan Glasmaterialien auf Sulfitbasis, die nicht nur stabil genug waren, um den Dendriten standzuhalten, sondern darüber hinaus auch noch eine sehr hohe Leitfähigkeit besaßen. Diese Materialien könnten eine Lösung für das Problem darstellen und die Entwicklung wiederaufladbarer Feststoff-Lithiumbatterien ermöglichen.
„Wir haben Modelle angefertigt, um ihre mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften zu untersuchen und zu schauen, ob wir die richtigen Leistungsdichten erzielen können“, so Srinivasan. „Wir haben auch einige wirtschaftliche Modelle erstellt, um herauszufinden, was künftige Batterien kosten könnten. Wenn es gelingt, eine Lithium-Metall-Batterie mit einer Lithium-Anode und einer Kathode aus sulfitbasiertem Glas – einem günstigen Material – herzustellen, dann sind Kosten von 80 USD pro Kilowattstunde möglich.“ Und dies ist eine ganz entscheidende Kostengrenze: „Das ist die Zahl, die wir brauchen, um Elektroautos auf das Niveau von Autos mit Brennstoffmotor zu bringen“, erklärt Srinivasan.
Potenziale abseits des Lithiums
Srinivasan und weitere Forscher gehen aber auch noch anderen vielversprechenden Möglichkeiten nach.
„Wir beschäftigen uns mit längerfristigen F&E-Projekten wie etwa Magnesium-Ionen-Batterien. Magnesium hat eine Ladung von +2, das heisst, es kann doppelt so viele Elektronen speichern wie Lithium. Das ist ein enormer Vorteil mit Blick auf die Energiedichte und letztlich vielleicht auch mit Blick auf die Kosten. Doch es ist schwierig, Materialien zu finden, die sich gut als Leiter für diese Ionen eignen“, sagt er. „Auch Sauerstoff als Material für die Kathode wird untersucht, doch meist versagt er bereits nach wenigen Zyklen von Ladung und Entladung.“
So wichtig, wie Batterien für den Erfolg der erneuerbaren Energien sind, so wichtig sind auch niedrige Kosten für den Erfolg der Batterien. Die Entwicklung geht in jedem Fall in die richtige Richtung. Doch es wird wohl noch eine Weile dauern, bis Batterien den fossilen Brennstoffen als Energieträger wirklich Konkurrenz machen können.
