Von Luft, Schwefel und Lithium

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Leistungsfähiger, günstiger, sicherer: Weltweit arbeiten Forscher an der Optimierung von Traktionsbatterien. Es gibt viele Ideen. Alternative Batteriechemien, Materialien und Strukturen versprechen Potenzial - zumindest theoretisch.

Die Nachfrage nach leistungsstarken Batterien ist groß. Vor allem Lithium-Ionen-Batterien sind ein Schlüssel für den Ausbau der Elektromobilität. Laut einer aktuellen Studie von Frost & Sullivan erwirtschaftete der globale Markt für chemische Substanzen und Materialien in Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge im vergangenen Jahr einen Umsatz von 381,9 Millionen US-Dollar. Voraussichtlich wird der Markt auf 7,6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2020 hochschnellen, prognostizieren die Analysten. Die Studie berücksichtigt aktives Kathodenmaterial, aktives Anodenmaterial, Elektrolyt-Mischungen, Separatoren sowie Bindemittel.

Auch die Zahl der Patentanmeldungen für elektrochemische Energiespeicher-Technologien ist in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Die mit großem Abstand meisten Schutzrechte beantragten die Entwickler für Lithium-Batterien, wie eine Studie der Technischen Universität München (TUM) herausgefunden hat. Vor allem asiatische Unternehmen liegen vorne: Mehr als viermal so viele Anmeldungen für Patentfamilien bei elektrochemischen Energiespeichern haben die Asiaten im Vergleich zu den Europäern eingereicht.

Ab dem Jahr 2020 erwarten die Frost & Sullivan-Analysten jedoch, dass Substanzen und Materialien der nächsten Generation zur Herstellung von Batterien zur Anwendung in Elektrofahrzeugen kommen. Die im Markt vorherrschenden Lithium-Ionen-Akkus sollen dann zurückgedrängt werden.

Auf der Suche nach alternativen Batteriematerialien

Besonderes Interesse gilt vor allem den Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien. Die Lithium-Schwefel- und die Lithium-Sauerstoff-Zelle gehören zu den wenigen elektrochemischen Speichern, die im Vergleich zu konventionellen Lithium-Ionen-Batterien eine erheblich höhere Energiedichte versprechen, erläutern die Springer-Autoren Janek und Adelhelm im Kapitel "Zukunftstechnologien" (Seite 215 f) aus dem Handbuch Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings: Technologisch stehen beide Systeme noch vor großen Herausforderungen. Das Problem bei Lithium-Schwefel ist die geringe Lebensdauer und für das System Lithium-Luft konnte bislang kein geeigneter aprotischer Elektrolyt identifiziert werden. Daher wird es noch etwas dauern, bis die Systeme einsatzbereit sind. Die Li/S8-Zelle könnte um das Jahr 2020 marktreif sein - die Lithium-Luft wohl erst Ende 2030. Die Lithium-Ionen-Technik wird wohl erst einmal das Maß der Dinge bleiben.

Allerdings ist die Jagd auf Innovationen bei der Batterieentwicklung eröffnet. Insbesondere auch auf neue Materialien für die nächste Generation von Batterien, welche eines Tages Lithium-Ionen-Akkus ersetzen könnten. Auf der Suche nach alternativen Batteriematerialien sind zum Beispiel Forscher der ETH Zürich und der Empa möglicherweise einen Schritt weitergekommen: Sie haben es geschafft, gleichmäßige Antimon-Nanokristalle zu synthetisieren. Diese bieten sich aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften als Anodenmaterial an, und zwar sowohl für Lithium- als auch für Natriumionen. Und Wissenschaftlern der US-amerikanischen Universität Stanford ist es kürzlich gelungen, eine pure Lithium-Anode zu entwickeln. Das Ziel: Die Kapazität herkömmlicher Batterien um das Vierfache zu steigern.

Effiziente und preiswerte Lösungen

Vor allem sind die Forscher an effizienten und preiswerten Lösungen interessiert, um die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu verlängern. Um dieses Ziel zu erreichen, haben zum Beispiel Forscher der UC Riverside poröses Nano-Silizium aus Quarzsand hergestellt. Ähnliche Ansätze mit Silizium verfolgt auch das Forschungszentrum Jülich. Dort wurde im Jahr 2012 eine Silizium-Luft-Batterie entwickelt. Und eine neue "Hybrid"-Anode soll die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien vervierfachen, wie Forscher des Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) herausgefunden haben.

Neuartiger Kathodenaufbau

Einen neuartigen Kathodenaufbau hat hingegen die Hochschule für Technik und Wirtschaft Aalen entwickelt. Das Konzept eigne sich für Lithium-Schwefel-Batterien genauso wie für Lithium-Ionen-Batterien. Es soll nicht nur deren Kapazität, Energieeffizienz und Zyklenstabilität erhöhen, sondern auch die Energiespeicherdichte. Zudem wären die Herstellungskosten der neuartigen Kathoden geringer als bei herkömmlichen Kathoden. Und die BASF hat kürzlich bekannt gegeben, die kommerzielle Produktion von Lithium-Eisen-Phosphat(LFP) -Kathodenmaterialien zu starten. LFP verspreche eine hohe Speicherkapazität und ein langen Lebenszyklus. Zudem will das deutsch-chinesische Verbundprojekt Singer neue Materialien für Kathoden - bestehend aus nanoporösem Kohlenstoff und Aktivmaterial - für Lithium-Ionen-Batterien der zweiten Generation entwickeln und speziell in Hinblick auf ihre Schnellladeeigenschaften untersuchen.

Fester statt flüssiger Elektrolyt

Insbesondere der Untersuchung von Elektrolyten wollen sich Forscher am kürzlich gegründeten Helmholtz-Institut Münster (HI MS) widmen. Diese zentrale Komponente einer Batterie macht als Ionenleiter den effektiven Stromfluss zwischen Minus- und Pluspol überhaupt erst möglich. Die Eigenschaften des Elektrolyten bestimmen daher maßgeblich wesentliche Merkmale wie die Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer einer Batterie. Zum Beispiel werden Feststoff-Lithium-Ionen-Batterien als einer der chancenreichsten Energiespeicher für die Elektrotraktion gehandelt, erläutert Toyota im Artikel "Bessere Batterien - Mit Festem statt flüssigem Elektrolyt" aus der ATZelektronik 3-2014 . Vorteile dieses Akkumulatoren-Typs, dessen Elektrolyt nicht flüssig, sondern fest ist, seien unter anderem die hohe Energiedichte und Zyklenfestigkeit. Trotz der notwendigen Grundlagenforschung würden sich erste Anwendungen abzeichnen.

Optimierte Separatoren: Damit Batterien sicherer werden

Für das neue Anwendungsprofil im Bereich der Elektromobilität arbeitet die Batterieindustrie derzeit auch an Verbesserungen der bestehenden Membranen beziehungsweise an komplett neuen Ansätzen, erläutern die Springer-Autoren Janek und Adelhelm im Kapitel "Separatoren". Denn der Separator spielt bei den Sicherheitsanforderungen an Batteriezellen eine wichtige Rolle. Klassische Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien sind Polyolefinmembranen. Auf Polyester-Vliesstoff basierende Kompositseparatoren mit sehr guten thermisch-mechanischen Eigenschaften entwickelt zum Beispiel Freudenberg. Sie lassen eine Erhöhung der intrinsischen Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ohne konstruktiven Mehraufwand erwarten.