Im Rahmen des Forschungsförderprojekts Glanz entwickelt Schott eine ionenleitende Glaskeramik für Lithium-Luft-Batterien. Die Batterie-Testzellen werden beim Laden und Entladen in einer Klimakammer (Bild) geprüft. In diesem Jahr soll das Projekt abgeschlossen werden.
Schott
Die Suche nach leistungsstärkeren Batterien läuft auf Hochtouren. Besonderes Interesse gilt den Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien. Mit ihnen könnten die Reichweiten der Elektroautos vervielfacht werden. Doch bis zur Marktreife ist es noch weit.
Kann mit der Lithium-Ionen-Batterie der Durchbruch in der Elektromobilität gelingen? Wie können bestehende Batteriesysteme verbessert werden? Welche Systeme gibt es und wann sind sie reif für den Einsatz im Alltag? Antworten auf diese Fragen sind nicht trivial. Es gibt zahlreiche Ideen. Doch die ideale Kraftquelle der Zukunft ist bislang noch nicht gefunden worden. Auf der Suche nach der Superbatterie verfolgen Wissenschaftler unterschiedliche Ansätze. Die Konzepte sind mal mehr, mal weniger vielversprechend. Gemeinsam ist ihnen aber das Ziel, den Energiespeicher leistungsfähiger, sicherer und kostengünstiger zu machen - und die Reichweite der Elektroautos von morgen zu vervielfachen.
Zwei oft diskutierte Alternativen stellen die Systeme Lithium-Schwefel und Lithium-Luft dar, wie die Springer-Autoren Janek und Adelhelm im Kapitel "Zukunftstechnologien" (Seite 200 f) aus dem Handbuch Lithium-Ionen-Batterien erläutern. Diese Systeme weisen eine von den klassischen Lithium-Ionen-Batterien grundsätzlich verschiedene Zellchemie auf. Sollten diese Batterietypen marktreif werden, wäre dies bezüglich der spezifischen Energiedichte einen Sprung gegenüber der aktuellen Lithium-Ionen-Technik.
Wie Lithium-Schwefel-Batterien haltbarer werden
Lithium-Schwefel-Batterien haben eine theoretische Energiedichte von 3350 Wh/kg. Damit könnte ein Elektroauto bis zu zehnmal längere Strecken fahren, wie das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) im Artikel "Zukunft der Akkutechnologien" aus der ATZelektronik 3-2011 vorrechnet. Realisiert wurden aber erst 350 Wh/kg. Problematisch sei dabei nicht nur das Sicherheitsproblem der dendritischen Lithiumabscheidung, sondern auch die geringe Leitfähigkeit der Schwefelelektrode, wie das Fraunhofer ISC erklärt. Außerdem lasse sich die Batterie lediglich 50-mal wiederaufladen.
Wie Lithium-Schwefel-Batterien haltbarer werden, haben daher zum Beispiel Chemiker der TU Chemnitz untersucht. Die Lösung liegt in maßgeschneiderter Kohlenstoffmaterialien. Diese Materialien führen demnach zu leistungsfähigen Batterien mit einer Kapazität von rund 900 mAh/g - das ist mehr als das Dreifache der Kapazität der heute üblichen Lithium-Ionen-Akkus. Sie sollen stabil für mehr als 500 Lade- und Entlade-Zyklen laufen und auch dann noch circa 70 Prozent ihrer Ausgangsleistung aufweisen. Zudem haben Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden ein neues Batteriedesign entwickelt, das die Aufladezyklen von Lithium-Schwefel-Akkus um das Siebenfache erhöhen soll.
Lesen Sie mehr zu Lithium-Luft-Batterien und Natrium als Alternative zu Lithium in Batterien auf Seite 2.
Lithium-Luft-Batterien
Die größte Reichweite für Elektroautos versprechen aber Lithium-Luft-Batterien. Hier besteht die Anode aus reinem Lithiummetall. Die Kathode wird durch von außen zugeführte Luft ersetzt wie in der Zink-Luft-Batterie: Die theoretisch erreichbare Energiedichte liegt, wenn man die Masse des Sauerstoffs nicht berücksichtigt, bei rund 11.000 Wh/kg, erläutert das Fraunhofer ISC. Realisieren ließen sich vielleicht zehn Prozent - das entspräche etwa der fünffache Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterien. Ihr größtes Manko ist bisher ihre geringe Lebensdauer.
Zur Ausreifung der Lithium-Luft-Batterien haben jüngst Batterieforscher der Technischen Universität (TU) Graz in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der schottischen St. Andrews University beigetragen. Sie verwendeten für die Elektrode Titancarbid statt Kohlenstoff und konnten damit die Leitfähigkeit und die Stabilität entscheidend verbessern.
Im Verbundprojekt Glanz (Durch Glas geschützte Anode und Zelle) arbeiten das Batterieforschungszentrum Meet der Universität Münster, Glasspezialist Schott sowie Rockwood Lithium, Varta Microbattery und Volkswagen an einem neuen Separatormaterial aus Glaskeramik für Lithium-Luft-Batterien. Das Separatormaterial soll unerwünschte chemischen Reaktionen verhindern. In diesem Jahr soll das Vorhaben abgeschlossen werden.
Marktreife: Li/S8-Zelle 2020, Lithium-Luft 2030
Allerdings ist es noch ein weiter Weg bis zur Marktreife. In einer Analyse des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung wird die Marktreife der Li/S8-Zelle um das Jahr 2020 erwartet, zitieren die Springer-Autoren Janek und Adelhelm die Studie im Kapitel "Zukunftstechnologien" (Seite 215 f) aus dem Handbuch Lithium-Ionen-Batterien. Für Lithium-Luft wird ein bedeutend längerer Zeitrahmen (Ende 2030) aufgeführt. Als Primärelement könnten Lithium-Luft oder artverwandte Systeme jedoch sicher auch schon früher die Kommerzialisierung erreichen.
Alternative Natrium
Eine andere Möglichkeit, die Nachteile von Lithium - hohe Kosten und umweltschädliche Gewinnung - zu umgehen, wäre statt Lithium Natrium zu verwenden. Das besitzt ähnliche chemische Eigenschaften und kommt in deutlich größeren Mengen vor. Beim Laden und Entladen einer Lithium-Ionen-Batterie bewegen sich Lithium-Ionen in die Elektroden hinein oder aus den Elektroden heraus. Um eine Natrium-Ionen-Batterie zu bauen, muss man daher verstehen, wie sich die Natrium-Ionen in den entsprechen Materialien bewegen. Forschende des Paul Scherrer Instituts haben kürzlich erstmals die Pfade bestimmt, auf denen sich Natrium-Ionen in einem möglichen Batterie-Material bewegen. Mit diesem Wissen kann man nun überlegen, wie man durch geringe Änderungen der Struktur oder der Zusammensetzung neue Materialien erzeugen kann, die Eigenschaften haben, wie sie in zukünftigen Batterien gebraucht würden.
Lithium-Ionen-Batterien an die Reserven gehen
In den nächsten zehn Jahren wird als Energiespeicher aber vor allem die verbesserte Lithium-Ionen-Batterie zum Einsatz kommen. Denn die in Elektrofahrzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien haben noch deutliche Reserven, was die Ausnutzung der Energie und die mögliche Energieeinspeisung betrifft. Denn würden die Kapazitäten in jeder einzelnen Batteriezelle optimal ausgenutzt, ließe sich mehr Ladung einspeisen und auch wieder abrufen. Dadurch könnte heute schon die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöht werden. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS, Institutsteil Entwurfsautomatisierung EAS mit Partnern im Projekt Ikeba daran, die Software und Hardware von Managementsystemen zu optimieren, die die aufladbaren Batterien überwachen und regeln.
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