Neu­er Saft für Elek­tro­mo­bi­le

Wis­sen­schaft­ler ent­wi­ckeln die Ak­kus der Zu­kunft. Sie set­zen un­ter an­de­rem auf Spin­nen­blut

SonntagsZeitung - - WISSEN - Rein­hard Breu­er

Ob für die Elek­tro­mo­bi­li­tät oder als sta­tio­nä­rer Zwi­schen­spei­cher für al­ter­na­ti­ve Ener­gi­en: Noch ist un­klar, wel­che Tech­no­lo­gie sich in der Bat­te­rie­tech­nik künf­tig durch­set­zen wird. Zwar ist der un­be­strit­te­ne Markt­füh­rer seit vie­len Jah­ren die Li­thi­um-io­nen-bat­te­rie (LIB). Aber For­scher schau­en sich längst nach Al­ter­na­ti­ven um. Ihr Ziel ist ei­ne Post-li­thi­um-ära: Sie soll die Pro­ble­me der ak­tu­el­len Tech­no­lo­gie lö­sen.

Na­tür­lich müss­ten al­ter­na­ti­ve Bat­te­ri­en der Zu­kunft al­les er­fül­len, was heu­te schon ge­for­dert, aber kaum ge­bo­ten wird. Als Au­to­mo­bil-ak­kus soll­ten sie ei­ne Reich­wei­te von min­des­tens 500 Ki­lo­me­ter er­mög­li­chen, bin­nen Mi­nu­ten auf­ge­la­den sein, ei­ne lan­ge Le­bens­dau­er ha­ben, vie­le La­de­zy­klen aus­hal­ten, tech­nisch si­cher und nach­hal­tig sein – und we­nig kos­ten.

Das ist ei­ne Her­aus­for­de­rung. Die In­ter­na­tio­na­le Ener­gie­agen­tur pro­phe­zeit, dass die Zahl der Elek­tro­fahr­zeu­ge bis 2025 von der­zeit 2 auf 70 Mil­lio­nen welt­weit stei­gen wer­de. Die Re­gie­rung Chi­nas will, dass bis 2020 zwölf Pro­zent al­ler Au­tos im Lan­de elek­trisch fah­ren, al­lein das wä­ren mehr als 30 Mil­lio­nen E-fahr­zeu­ge. Zu­dem ha­ben In­di­en, et­li­che Staa­ten in Eu­ro­pa und an­de­re Län­der an­ge­kün­digt, sich lang­fris­tig von Ben­zin­und Die­sel­mo­to­ren tren­nen zu wol­len. Dass die­se Re­vo­lu­ti­on mit Li­thi­um-io­nen-bat­te­ri­en al­lei­ne statt­fin­den kann, ist mehr als frag­lich.

Seit der ers­ten Li­thi­um-io­nen­bat­te­rie, die Sony 1991 auf den Markt brach­te, wird ein sub­stan­zi­el­ler Teil der Ka­tho­den aus Li­thi­um-ko­bal­t­oxid ge­fer­tigt. Das ist pro­ble­ma­tisch. «Das Ko­bal­t­oxid sorgt zwar für ei­ne ho­he Spei­cher­dich­te», sagt Ma­xi­mi­li­an Ficht­ner. Der Che­mi­ker ist stell­ver­tre­ten­der Di­rek­tor des Helm­holtz-in­sti­tuts Ulm (HIU). «Aber Ko­balt wird zu ei­nem gros­sen Teil durch Kin­der­ar­beit ge­won­nen, es ist gif­tig und teu­er – und es wird im­mer teu­rer.» Ziel der in­ter­na­tio­na­len Bat­te­rie­for­schung sei des­halb ein Nach­fol­ger der Li­thi­um-tech­no­lo­gie oh­ne Ko­balt. Hier­bei forscht das HIU in Ko­ope­ra­ti­on mit dem Karls­ru­her In­sti­tut für Tech­no­lo­gie, der Uni­ver­si­tät Ulm so­wie dem Zen­trum für Son­nen­en­er­gie und Was­ser­stoff­for­schung Ba­den-würt­tem­berg.

Ko­balt wird zur un­be­zahl­ba­ren Man­gel­wa­re

Auf die Vor­tei­le der LIB will man da­bei al­ler­dings un­gern ver­zich­ten. «Sie ist ei­gent­lich ei­ne tol­le Bat­te­rie. Li­thi­um-io­nen sind klein, leicht und wan­dern schnell zwi­schen Anode und Ka­tho­de», meint Ficht­ner. Die Li­thi­um-io­nen-tech­no­lo­gie hat Ficht­ner zu­fol­ge je­doch ihr Po­ten­zi­al aus­ge­schöpft. In den letz­ten zwan­zig Jah­ren stieg die Ko­balt­för­de­rung um das Fünf­fa­che, das Ele­ment wird auch für die Pro­duk­ti­on von Stahl be­nö­tigt. Wenn das so wei­ter­geht, wird Ko­balt in we­ni­gen Jahr­zehn­ten zur un­be­zahl­ba­ren Man­gel­wa­re. Soll­te die Elek­tro­mo­bi­li­tät stark wach­sen, müss­te zu­dem die Li­thi­um­för­de­rung zu­neh­men, auf et­wa das Zehn­fa­che der heu­ti­gen Men­ge. Das be­rei­tet Phil­ipp Adel­helm von der Uni­ver­si­tät Je­na Sor­ge. Der Che­mi­ker ar­bei­tet so­wohl an der Op­ti­mie­rung der LIB als auch an Al­ter­na­ti­ven. «Zwei­fels­oh­ne wird bald schon die Wie­der­auf­ar­bei­tung von ge­brauch­ten Li­thi­um-io­nen­bat­te­ri­en wich­tig wer­den.» Zu­gleich su­chen For­scher nach Ma­te­ria­li­en für die Post-li­thi­um­tech­no­lo­gie. «Sie kön­nen auf un­kri­ti­schen Ele­men­ten ba­sie­ren wie et­wa Na­tri­um, Ma­g­ne­si­um, Alu­mi­ni­um oder Kal­zi­um.» Un­ter meh­re­ren Op­tio­nen ist of­fen­bar die Na­tri­um-io­nen-bat­te­rie vor­läu­fig am wei­tes­ten ge­die­hen. Im Prin­zip äh­nelt sie der LIB, nur eben mit Na­tri­um an­stel­le von Li­thi­um. Die Ka­tho­de be­nö­tigt kein Ko­balt mehr. «Wir nen­nen das ei­ne Drop-in-tech­no­lo­gie», er­klärt Ficht­ner. Für den Wech­sel von Li­thi­um zu Na­tri­um muss man dem­nach tech­nisch we­nig ver­än­dern. Die ers­ten die­ser Bat­te­rie­zel­len ste­hen vor der Se­ri­en­rei­fe.

Ab­ge­se­hen da­von, dass ein Na­tri­um-io­nen-ak­ku völ­lig oh­ne Ko­balt aus­kommt, bil­det er ein tech­nisch sta­bi­les Sys­tem mit ho­hem Wir­kungs­grad. Zu­dem ist Na­tri­um als Roh­stoff be­son­ders nach­hal­tig. Es steckt im Koch­salz, al­so in Meer­was­ser, oder in un­ter­ir­di­schen Salz­stö­cken. Ein Nach­teil bleibt frei­lich: «Wir wer­den mit Na­tri­um-io­nen nie­mals die Ener­gie­dich­te von Li­thi­um er­rei­chen, weil Na­tri­umio­nen ein­fach grös­ser und schwe­rer sind», er­klärt Ma­xi­mi­li­an Ficht­ner. Für Elek­tro­au­tos sei Na­tri­um da­her nicht ide­al, für un­be­weg­li­che Ener­gie­spei­cher von Wind­kraft- und So­lar­an­la­gen oder Pri­vat­häu­sern aber mit­tel- und lang­fris­tig die bes­se­re Op­ti­on.

Im Elek­tro­mo­bil könn­ten da­ge­gen Ele­men­te wie Ma­g­ne­si­um die Rol­le von Na­tri­um über­neh­men, und zwar in Ma­g­ne­si­um­schwe­fel-bat­te­ri­en. For­schern zu­fol­ge las­sen sich mit dem Erd­al­kali­me­tall zu­min­dest theo­re­tisch hö­he­re Spei­cher­dich­ten er­rei­chen als mit Li­thi­um. «Ma­g­ne­si­um ist ein heis­ser Kan­di­dat, wenn es uns ge­lingt, noch ein paar Pro­ble­me zu lö­sen – mehr Zy­klen und bes­se­re Ener­gie­ef­fi­zi­enz», sagt Ficht­ner. Für den Roh­stoff wä­re je­den­falls ge­sorgt. Ma­g­ne­si­um gibt es in rau­en Men­gen, und Schwe­fel liegt oft ein­fach auf Hal­de, et­wa in Ent­schwe­fe­lungs­an­la­gen.

Ma­g­ne­si­um ist nicht die ein­zi­ge Al­ter­na­ti­ve. So ar­bei­ten Usche­mi­ker an Kon­zep­ten, Ko­balt und Ni­ckel in den Li­thi­um-bat­te­ri­en zu er­set­zen. «Al­ter­na­ti­ve Elek­tro­den­ty­pen aus bil­li­gen und gut ver­füg­ba­ren Me­tal­len wie Ei­sen und Kup­fer soll­ten drin­gend ent­wi­ckelt wer­den», for­dern auch Konsti­an­tyn Tur­ch­e­ni­uk und Mit­ar­bei­ter vom Geor­gia In­sti­tu­te of Tech­no­lo­gy im Fach­blatt «Na­tu­re». Um das Ko­balt zu eli­mi­nie­ren, hal­ten die For­scher so­ge­nann­te Kon­ver­si­ons­ma­te­ria­li­en wie Kup­fer­und Ei­sen­fluo­ri­de so­wie Si­li­zi­um für die «bes­te Al­ter­na­ti­ve». Die­se wür­den die Li­thi­um-io­nen che­misch spei­chern und sie nicht bloss, wie der­zeit in der Lib-tech­no­lo­gie, phy­si­ka­lisch in den Elek­tro­den fest­hal­ten. «In sol­chen Kon­ver­si­ons­ka­tho­den könn­ten bis zu sechs­fach mehr Li­thi­um-io­nen che­misch ge­spei­chert wer­den als in Stan­dard­ka­tho­den.» Das klingt gut, doch funk­tio­niert die­se Tech­no­lo­gie vo­r­erst nur im La­bor.

Erd­nuss­scha­len, Mais­kol­ben und Äp­fel für die Elek­tro­den

Aber zu­rück zum Haupt­kan­di­da­ten der Spei­cher­zu­kunft: der Na­tri­um-io­nen-bat­te­rie (NIB). Um de­ren Leis­tung zu stei­gern, ha­ben sich die Helm­holtz-for­scher ei­ne Be­son­der­heit aus­ge­dacht, die man in ei­nem Ak­ku nicht er­war­ten wür­de: Stof­fe, die man in Spin­nen­blut fin­det – und Bio­ab­fäl­le. Das ist kein Witz, son­dern an­ge­wand­te Elek­tro­che­mie. «Elek­tro­den aus or­ga­ni­schen Na­tur­stof­fen bräch­ten vie­le Vor­tei­le», sagt Ficht­ner. «Fle­xi­bles De­sign, gu­te theo­re­ti­sche Spei­cher­dich­ten, ein­fa­che Ver­ar­bei­tung, Si­cher­heit, Nach­hal­tig­keit und ge­rin­ge Kos­ten, ei­gent­lich ein Wun­der­ma­te­ri­al.»

Or­ga­ni­sche Elek­tro­den könn­ten in Li­thi­um­bat­te­ri­en ge­nutzt wer­den, um den Ko­bal­t­an­teil zu sen­ken, aber eben auch in ko­balt­frei­en Na­tri­um-bat­te­ri­en. Sie könn­ten, so hof­fen die Wis­sen­schaf­ter, die La­de­zeit in Bat­te­ri­en der Zu­kunft dras­tisch re­du­zie­ren, die Ka­pa­zi­tät er­hö­hen und den­noch über Tau­sen­de von La­de­zy­klen sta­bil blei­ben. Ein Kan­di­dat für or­ga­ni­sche Nib-elek­tro­den ist ein rin­g­ar­ti­ges Mo­le­kül, das Por­phy­rin. In der Na­tur kommt es in Chlo­ro­phyll, Blut und Vit­amin B12 vor. In der Va­ri­an­te als Kup­fer-por­phy­rin steckt es im blau­en Blut von Kreb­sen und Spin­nen.

«Wir ha­ben bio­lo­gi­sches Kup­fer-por­phy­rin che­misch mo­di­fi­ziert und mit ei­nem Trick sta­bi­li­siert», sagt Ficht­ner. Man er­rei­che da­mit ähn­li­che Spei­cher­ka­pa­zi­tä­ten wie mit Li­thi­um und Na­tri­um, aus­ser­dem meh­re­re Tau­send La­dungs­zy­klen. «Die Per­for­mance ist aus­ser­ge­wöhn­lich. Man kann die Zel­le in ei­ner Mi­nu­te be­la­den.» Das er­mög­li­che die An­wen­dung als Schnell­la­de­bat­te­rie für die Sta­bi­li­sie­rung des Strom­net­zes. Ein­zi­ger sicht­ba­rer Nach­teil: Die neu­en Zel­len fal­len grös­ser aus.

Bio­ab­fäl­le sind die an­de­re In­no­va­ti­on der Hiu-for­scher: Äp­fel, Mais­kol­ben und Erd­nuss­scha­len, die bei ex­tre­mer Hit­ze zer­setzt, ge­trock­net und zer­klei­nert wer­den. Das pulv­ri­ge Pro­dukt ent­hält vor­wie­gend Koh­len­stoff und lässt sich auf den Mi­nus­pol der Bat­te­rie strei­chen. «Die Erd­nuss­scha­len funk­tio­nie­ren bis­lang am bes­ten», sagt Ma­xi­mi­li­an Ficht­ner.

An Ide­en man­gelt es den For­schern je­den­falls nicht. Doch Che­mi­ker wie Adel­helm von der Uni­ver­si­tät in Je­na war­nen zu­gleich vor all­zu gros­ser Eu­pho­rie: Für neue Bat­te­ri­en ge­be es zwar ei­ne Fül­le von Ide­en, aber auch viel heis­se Luft. «All­zu häu­fig wer­den un­kri­tisch Welt­re­kor­de auf­ge­stellt und un­mit­tel­ba­re An­wen­dun­gen in Aus­sicht ge­stellt.» Wis­sen­schaft­ler soll­ten je­doch, wie Adel­helm sagt, «mu­tig ge­nug sein, Vor- und Nach­tei­le neu­er Ma­te­ria­li­en glei­cher­mas­sen zu be­leuch­ten.» Vie­le der pu­bli­zier­ten Ma­te­ria­li­en «mit raf­fi­nier­ten Struk­tu­ren» wür­den die nied­ri­gen Kos­ten aus­ge­reif­ter Li­thi­um-io­nen-bat­te­ri­en noch lan­ge nicht er­rei­chen.

Fo­to: Getty Images

Li­thi­um-io­nen­ak­kus brau­chen Roh­stof­fe wie Ko­balt, die im­mer knap­per wer­den: Da­mit Elek­tro­au­tos auch künf­tig fah­ren, braucht es Al­ter­na­ti­ven

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