Watt Ihr Volt: Alternativen zu Lithium-Ionen-Akkus

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Es stimmt – die Batterie im Elektroauto belastet die Umwelt. Ein Problem, das schon bald gelöst werden kann. emobly erklärt, wie ein klassischer Lithium-Ionen-Akku funktioniert und welche Alternativen es dazu gibt.

Die Batterie des Elektroautos wird den Kampf um die Vorherrschaft der Elektromobilität entscheiden. Dabei erscheint der Lithium-Ionen-Akkumulator nicht als zukunftsträchtige Technologie. Die Gewinnung der Rohstoffe ist problematisch – viele Dokumentationen und Artikel verdeutlichen, wie groß der Eingriff in unser Ökosystem beim Abbau von Lithium und Kobalt ist.

Das wirft eine Frage auf: Gibt es Alternativen?

Die einfache Antwort lautet: ja! Doch ganz so einfach ist es dann aber doch nicht. Wie so ein Akku funktioniert, was der aktuelle Stand der Forschung ist und ob ihr künftig bei Langstrecken ohne vorherige Planung einfach losfahren könnt, erfahrt Ihr hier.

Wie funktioniert so eine Batterie überhaupt?

Das Prinzip, nach dem Batterien funktionieren, nennt sich „Galvanische Zelle“. In einer solchen Zelle wandern elektrisch geladene Teilchen umher. Das erzeugt elektrischen Strom. Dieser wiederrum betreibt beispielsweise eine Glühbirne – oder eben einen Elektromotor. 

Dafür wird ein Metall benötigt. Denn Metalle haben eine Eigenschaft, die sie zu hervorragenden Bauteilen für einen solchen Stromkreislauf macht: Sie geben geladene Teilchen ab. Elektronen nämlich. Somit sind sie negativ geladen. Metalle lassen sich in verschieden edle unterteilen. Gold beispielsweise hat die Eigenschaft seine Elektronen zu behalten und sogar weitere aufzunehmen. Zink hingegen ist weniger edel und gibt negativ geladene Teilchen ab.

Um einen Stromfluss zu erzeugen, werden zwei unterschiedlich edle Metalle benötigt. Die Anode (den Pluspol) und die Kathode (den Minuspol). Bildlich könnt Ihr euch zwei Behälter vorstellen. In dem einem liegt das unedlere Metall, was dies zum Minuspol macht. Die Anode wird durch das edlere Metall bestückt. Außerdem wird in beide Behälter eine Elektrolyt-Flüssigkeit gegeben, was die Ladungsträger zwischen den Polen transportiert.

Werden beide Pole mit einem elektrischen Leiter – also einem Draht – verbunden, setzen sich die Elektronen in Bewegung. Somit entsteht ein elektrischer Strom. Voll ist eine solche Batterie, wenn die Spannung zwischen Anode und Kathode ihr Maximum erreicht hat. Leer, wenn die Spannung zwischen den beiden Polen ausgeglichen ist.

Stand der Forschung

Internationale Forschungsteams haben den Blick in den Küchenschrank gewendet, um eine neue Generation von Akkus zu entwickeln. Natrium ist einer von zwei Bestandteilen von Natriumchlorid, was nichts anderes als Speisesalz ist. Ein Forschungsteam aus Japan hat gezeigt, dass eine bestimmte Kristallstruktur von Natrium einen Natrium-Ionen-Akkumulator möglich macht.

Dazu extrahierte und untersuchte das Team von Naoto Tanibata vom Nagoya Institute of Technology zirka 4300 Verbindungen nach dem Trial-and-Error-Ansatz in einem Computerprogramm. Dabei entdeckten sie eine Natrium-Vanadium-Verbindung, die ein geeignetes Kathodenmaterial sei. Die Forschenden zeigten ebenfalls, dass dies zu einer kurzen Ladezeit und langen Akkulaufzeit führt. Der Einsatz dieser Technologie sei zunächst in stationären Bereichen zu erwarten, da die Kapazität noch weit unter der von Lithiumbatterien liegt, berichtet der VDI

Auch deutsche Forschungseinrichtungen arbeiten an Lösungen zur Natrium-Ionen-Batterie. Im Projekt TRANSITION, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für drei Jahre mit 1,15 Millionen Euro gefördert wird, haben sich Universitäten und Institute von der Friedrich-Schiller-Universität Jena bis zum Helmholtz-Institut Ulm (HIU) zusammengetan. Das Ziel: Eine nachhaltigere Energiespeicherstrategie in Deutschland. Die Forschungsergebnisse werden dabei auch der Elektromobilität zu Gute kommen.

Bereits im letzten Jahr publizierten US-amerikanische Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen in Science über ihre Fortschritte bei Fluorid-Ionen-Akkumulatoren. Zuvor waren nur Feststoffe bekannt, die diese Aufgabe erfüllen konnten. Der Haken: Nur bei Temperaturen über 150 Grad Celsius konnten die Ladungsträger ausreichend zwischen Anode und Kathode fließen. Das Team um Victoria K. Davis berichtete, dass die Versuchsbatterie am Caltech sieben Lade- und Entladezyklen bei Raumtemperatur durchliefen. Die Batterie soll achtmal leistungsfähiger sein, als herkömmliche Lithium-Akkus. 

Wann fahren wir los?

In ein paar wenigen Jahren wohl nicht. Die Forschung steckt in den Kinderschuhen. Bis die neuen Akkus Marktreife erreichen, wird weiter die Wiederverwertung von Lithium-Ionen-Batterien ausgebaut und optimiert werden müssen – damit sie wenigstens als Speicherlösungen in Gebäuden oder Industrieanlagen eine langfristige Zukunft haben können.

Forschungsteams aus Europa, Asien und Amerika arbeiten an Lösungen für Batterien. Es scheint eine Frage der Zeit, bis neue Akkus die Straßen erobern. Welche Art von Akku das sein wird oder welche Arten das sein werden, ist nicht absehbar. Absehbar ist: In den nächsten Jahren muss weiterhin in die Forschung investiert werden, damit aus Forschung Technologie und aus Technologie schließlich alltägliche Technik werden kann.

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Klaus Höfken
Nach meinem Realschulabschluss habe ich eine technisch-gewerbliche Ausbildung absolviert. In Folge dessen habe ich in verschiedenen Bereichen der Energiewirtschaft gearbeitet - im Kraftwerk und im Rohrnetz. Nach einem Ausflug in die Veranstaltungstechnik, holte ich mein Fachabitur mit dem Schwerpunkt Metalltechnik in Köln nach. Direkt im Anschluss nahm ich das Studium Technikjournalismus/PR auf. Energie begleitet mich somit seit meinen ersten Schritten in der Berufswelt. Weshalb ich mich diesem Themenkomplex auch in meinen Beiträgen widme. Diese Erfahrungen haben mich zu einem Fan der E-Mobilität gemacht!