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03.04.2020 | Energiespeicher | Im Fokus | Onlineartikel

Keramische Stromspeicher vor Markteinführung

Autor:
Frank Urbansky
3 Min. Lesedauer

Die am Fraunhofer IKTS in Thüringen erforschten keramischen Stromspeicher stehen vor der Markteinführung. Ihr Vorteil liegt in günstigen und reichlich heimisch vorkommenden Rohstoffen.

Fieberhaft suchen Forschung und Wissenschaft nach Alternativen zu Lithium-Batterien, da deren Grundrohstoffe, Lithium und Cobalt, entweder unter umweltschädigenden oder menschenunwürdigen Bedingungen gewonnen werden. „Polymer- und Gelelektrolyte […] sind kommerziell verfügbar, während Keramik- und Glaselektrolyte sich noch weitgehend im Forschungsstadium befinden“, beschreibt Springer Vieweg-Autor Peter Kurzweil in seinem Buchkapitel Hochenergiebatterien nach Lithium-Ion auf Seite 337 den aktuellen Stand.

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2018 | OriginalPaper | Buchkapitel

Hochenergiebatterien nach Lithium-Ion

Wiederaufladbare Batterien mit spezifischen Energien jenseits der 200 Wh kg−1 und herausragenden Leistungsdichten sollen die heutige Lithiumionen-Technologie in den nächsten Jahrzehnten ablösen. Manche Forschungsansätze reichen in die Zeit der Ölkrise in den 1970er und 1980er Jahren zurück. Das Kapitel beschreibt visionäre Konzepte von Metallionen- und Metall-Luft-Batterien, bis hin zu Festkörpertechnologien und Anionen-Batterien.

Gerade die Keramikelektrolyte könnten jedoch demnächst aus dem Forschungsstadium heraustreten. Maßgeblich erforscht werden sie am Fraunhofer IKTS im thüringischen Hermsdorf. Der stellvertretende Institutsleiter Michael Stelter kündigte zum Fachkongress EAST in Erfurt an, dass die Markteinführung in zwei Jahren erfolgen könnte. Für die Entwicklung dieser auf Natrium, Nickel und Chlor (Natrium und Nickelchlorid: Na und NiCl2) basierenden Batterien erhielten die Wissenschaftler in diesem Jahr schon den Thüringer Forschungspreis.

Hohe Produktivität bei Fertigung

Diese Art von Batterien  wurde schon in den 80er Jahren entwickelt und feierte weltweit Erfolge. Doch in den 90ern schwenkten Forschung und Industrie auf die vermeintlich vielversprechendere Lithium-Ionen-Technologie um. Die Forscher am IKTS haben in den letzten Jahren diese alte Technologie optimiert. Sie besteht nun aus einem keramischen Festkörper-Ionenleiter aus Natrium-Beta-Aluminat, der durch kaltplastische Extrusion entsteht. Bisherige Leiter entstanden durch isostatisches Pressen. Mit dem neuen Verfahren lässt sich eine wesentlich höhere Produktivität erzielen.

Die Batterie besteht aus einem verschlossenen Rohr, das sich aus einem Kern aus Keramik und einer metallischen Hülle zusammensetzt. Der Kern kann Natriumionen leiten. Da die Temperaturen in der Zelle 350 °C erreichen können, musste die Batterie zudem gesondert abgedichtet und durch ein Vakuum verlustarm isoliert werden. Zudem musste eine dauerhafte Verbindung zwischen metallischer Zellwand und Keramikkern hergestellt werden.

Den Wissenschaftlern und Technikern gelang es, die Speicherkapazität auf 100 Amperestunden zu steigern. Das sei, so die Forscher, fast dreimal so viel wie die bisher marktüblichen Batterien dieser Art. Gleichzeitig sollen die Kosten bei 100 Euro je kWh liegen. Ein vergleichbarer Haushaltsspeicher auf Lithium-Ionen-Basis kann das Zehnfache davon kosten. Genau in diesen Kosten liegt der Vorteil der Keramikbatterie. Denn alle relevanten Rohstoffe gibt es in reichlicher Menge – und dazu noch in Deutschland.

Langer Lebenszyklus

Im Projekt cerenergy, in dem die Keramikbatterien für die Praxisreife entwickelt werden, ist denn auch vorgeschrieben, dass „ein robustes, kostengünstiges Zelldesign unter der Maßgabe minimierter Kosten statt maximierter Leistung“ zu entwickeln sei. Bisher wurde eine Lebensdauer von zehn Jahren und 4.500 Ladezyklen erreicht. Das ist durchaus vergleichbar mit andere Batterietypen. Der Wirkungsgrad liegt bei 90 Prozent. Die Batterie ist zudem komplett recycelbar. Gleichzeitig ist die Technologie sehr sicher, da praktisch nicht brennbar.

Ohne solche Technologien wird die Energiewende nicht machbar sein. „Nach Abschalten der Kernkraft- und Kohlekraftwerke bleiben von der im Jahre 2018 erzeugten Elektroenergiemenge von 541 TWh noch 158 TWh an grundlastfähigem Energiepotenzial bestehen […]. Eine Speicherkapazität dieser Energiemenge sollte im eigenen Land durch Aufbau von elektrischen Energiespeichern vorgehalten werden“, beschreibt Springer Spektrum-Autor Bernhard Adler in seinem Buchkapitel Energiespeicher auf Seite 61 die Dimensionen für die Speicherung insgesamt.

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