Unverzichtbare Kraftpakete

Die hat vor allem durch den Aufschwung der Elektromobilität enorm an Aufmerksamkeit gewonnen – und vor allem auch an wirtschaftlicher Bedeutung. Seit Akkus – im Deutschen der Begriff für wiederaufladbare Batterien – nicht mehr nur als Zubehör für Wecker, Musikplayer und kabellose Staubsauger gelten, sondern als unverzichtbarer Bestandteil und einer der wichtigsten Wegbereiter hin zu einer umwelt- und klimafreundlicheren Form der Fortbewegung, ist der Sex Appeal zu den elektrochemischen Zellen zurückgekehrt.

Denn, auch wenn die Nachfrage nach Elektroautomobilen in Deutschland zuletzt etwas Federn gelassen hat – im Februar 2024 sank die Zahl der neu zugelassenen Fahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb im Vergleich zum Vorjahresmonat um rund 15 Prozent –, zeigt die Kurve international doch weiter steil nach oben: Zwischen 2020 und 2023 stieg der Anteil von Elektroautos am weltweiten Pkw-Markt von 3 auf 14 Prozent. In China, dem größten Automobilmarkt der Welt, hat bereits jeder vierte neu zugelassene Wagen einen elektrischen Antrieb mit Batterie unter der Haube. Die Nachfrage nach Fahrzeugbatterien wächst entsprechend.

Das facht den Ehrgeiz sowohl der deutschen Wirtschaft als auch der Politik an, die Batterieproduktion wieder zu einer heimischen Angelegenheit zu machen. Zudem beflügelt es die Forschung an neuen und besseren Batterietechnologien, denn auch die Ansprüche an die Zellen wachsen – und das nicht nur mit Blick auf die Elektromobilität. Es gilt, beispielsweise auch angesichts der Notwendigkeit, elektrischen Strom aus Wind oder Sonnenlicht für eine gewisse Zeit zu speichern – um auf diese Weise die schwankende Verfügbarkeit der erneuerbaren Energiequellen auszugleichen, Angebot und Nachfrage nach elektrischem Strom miteinander in Einklang bringen zu können. Daher ist die Batterieforschung wieder en vogue in Deutschland, wo vielerorts internationale Spitzenforschung betrieben wird: am MEET Batterieforschungszentrum in Münster, aber zum Beispiel auch am Helmholtz-Zentrum (HIU) Ulm, am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dem Forschungszentrum Jülich und etlichen Universitätsinstituten.

Lithium als Segen

In vielen Anwendungsbereichen – unter anderem Smartphones, Laptops und elektrischen Fahrzeugantrieben – sind seit vielen Jahren Lithium-Ionen-Akkus die Energiespeicher der Wahl. Die Funktionsweise dieser Anfang der 1990er-Jahre erstmals kommerziell angebotenen Batterien basiert auf dem Transport von Ionen – elektrisch geladener Atome – zwischen zwei Elektroden: einer Anode aus einer kristallinen Lithium-Verbindung und einer Kathode aus Grafit. Dazwischen befindet sich ein flüssiger Elektrolyt, in dem sich die Ionen bewegen können. Vor allem das Alkalimetall Lithium verleiht solchen Batterien Qualitäten, mit denen sie andere Arten von Akkumulatoren teils deutlich übertreffen. So gelten Lithium-Ionen-Akkus als besonders widerstandsfähig und langlebig, auch bei häufigem Auf- und Entladen. Darüber hinaus besitzen sie eine vergleichsweise große spezifische Kapazität. Das bedeutet: In jedem Kilogramm einer solchen Batterie lässt sich mehr Energie aufbewahren als in einem Kilogramm der meisten anderen heute gebräuchlichen Batterien.

Lithium als Fluch

Allerdings: Gerade das Lithium als zentraler Materialbaustein eines Lithium-Ionen-Akkus sorgt auch für handfeste Nachteile. So ist das Element als Rohstoff teuer und schwer zu bekommen. Ergiebige Lithium-Lagerstätten gibt es nur in wenigen Regionen der Erde, unter anderem entlang der Anden in einigen südamerikanischen Ländern wie Chile und Bolivien. Zwar sind auch in Deutschland Vorkommen an Lithium bekannt, doch die reichen bei Weitem nicht aus, um den künftigen Bedarf an dem Batterierohstoff zu decken. Hinzu kommt die Frage: Was geschieht mit dem Lithium und anderen Akku-Materialien, wenn die Batterie ausgedient hat? Bislang landeten Altbatterien samt den darin enthaltenen kostbaren Rohstoffen meist schlicht auf dem Müll, weil gut funktionierende und wirtschaftlich rentable Recyclingverfahren fehlten.

Die werden zwar inzwischen entwickelt und teils auch bereits angewandt, dennoch läuft die Suche nach Alternativen zu den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, nach neuen Technologien und anderen Materialien längst auf Hochtouren. Zumal bei den aktuellen Stars am Batteriemarkt nicht nur das Lithium Anlass zur Sorge gibt. Die Elektroden eines Lithium-Ionen-Akkus enthalten auch Anteile anderer Metalle wie Nickel und Kobalt, die nicht nur rare und teure Rohstoffe, sondern teils auch hochgiftig und umweltschädlich sind. Dem wollen die Forscher durch besser verfügbare und gesundheitlich unbedenkliche Ersatzstoffe begegnen – zum Beispiel durch Eisenphosphat als Kathodenmaterial. Das ist die Elektrode, in der die Lithium-Ionen beim Speichern von Energie eingelagert werden. Dort könnte Eisen das bislang in Form von Kobaltoxid verwendete giftige Kobalt ablösen.

Eisen, Natrium und Co.

Und Lithium-Eisenphosphat-Akkus bieten noch mehr Vorteile – zum Beispiel eine enorme Langlebigkeit. So bescheinigt der Verband der Elektrotechnik (VDE) den Zellen in einer Studie, dass sie selbst nach 10.000 Lade- und Entladezyklen noch deutlich mehr als 75 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität besitzen. Allerdings können eisenhaltige Zellen in puncto Energiedichte nicht mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus mithalten. Und sie neigen zum thermischen Durchgehen. Das heißt, sie können sich durch chemische Reaktionen in ihrem Inneren stark erhitzen und letztlich sogar in Brand geraten oder explodieren. Deshalb konnten sich Lithium-Ionen-Akkus mit eisenhaltigen Elektroden bislang nicht kommerziell durchsetzen.

Bessere Chancen bescheinigen Experten sogenannten Natrium-Ionen-Batterien. Bei diesen Zellen wird im Vergleich zu einem gebräuchlichen Lithium-Ionen-Akku nicht das Kathodenmaterial durch einen anderen Werkstoff ersetzt, sondern das in der Anode gebundene Lithium. Da Natrium ebenfalls ein Alkalimetall ist und im Periodensystem der chemischen Elemente direkt unter dem Lithium steht, ähneln sich die Eigenschaften der beiden Stoffe. Daher lässt sich die Technologie eines Lithium-Ionen-Akkus weitgehend auf einen Natrium-Ionen-Akku übertragen.

Allerdings: Weil ein Natrium-Atom aufgrund der größeren Zahl von Elektronen „dicker“ ist als ein Lithium-Atom, lassen sich in einem bestimmten Volumen weniger Atome unterbringen – Natrium hat eine geringere Speicherkapazität. Andererseits kann es durch einen klaren Pluspunkt glänzen: Im Gegensatz zu Lithium ist Natrium überall auf der Welt in praktisch unbegrenzter Menge vorhanden und leicht verfügbar: Es ließe sich als Bestandteil von Kochsalz zum Beispiel aus Meerwasser herausdestillieren.

Unter anderem am Forschungszentrum Jülich arbeiten Wissenschaftler intensiv daran, auch andere Eigenschaften von Natrium-Ionen-Akkus, die bereits am Rand der Marktreife stehen, weiter zu verbessern. Die beiden Batterieforscher Felix Hartmann und Jürgen Janek von der Universität Gießen sehen künftige Anwendungen beispielsweise in kleineren Elektrofahrzeugen, die vor allem auf kurzen Strecken genutzt werden und deshalb keine allzu große Reichweite der Batterie benötigen. Dort könne die – vergleichsweise preisgünstige – Natrium-Batterie künftig Einzug halten. Vor allem aber eigne sie sich für stationäre Speicher, die gerade nicht benötigte Energie aus Windkraft- oder Solaranlagen aufnehmen. Solche Schwankungen entstehen vor allem durch das in Mitteleuropa oft wechselhafte Wetter, bei der Nutzung von Sonnenenergie aber auch schlicht durch den Tag-Nacht-Wechsel.

Ungleichgewichte ausbügeln

Eine Ende 2023 veröffentlichte Studie, die das Beratungsunternehmen Frontier Economics im Auftrag mehrerer Unternehmen erstellt hat, belegt, dass die Bedeutung großer Batteriespeicher für das Stromsystem in Deutschland künftig enorm wachsen wird. So erwarten die Experten, dass die Kapazität von Großspeichern hierzulande von heute rund 1,3 Gigawattstunden bis 2030 auf 15 bis 57 Gigawattstunden zunimmt. 2050 könnten sogar bis zu 270 Gigawattstunden Speicherkapazität in Batterien bereitstehen kann. Die Entwicklung werde unter anderem durch stetig sinkende Kosten für Batteriespeicher getrieben – auch infolge neuer oder besserer Technologien. Zudem ließen sich durch die Verlagerung von elektrischem Strom von Zeiten mit einem Stromüberschuss in Zeiten mit einem Strommangel durch große Batteriespeicher etliche Milliarden Euro an Stromkosten pro Jahr sparen.

Ungeliebte Flüssigkeit

Bei der Elektromobilität hingegen haben viele Forscher ebenso wie Herstellerunternehmen von Fahrzeugen oder Batteriesystemen eine andere Technologie als heißen Kandidaten für die Ablösung der Lithium-Ionen-Akkus ausgemacht. Sie setzt beim Elektrolyten an – einem elektrisch leitfähigen Stoff, der die beiden Elektroden einer Batteriezelle voneinander trennt und in dem sich die Ladungsträger bewegen – beim Aufladen der Zelle in die eine, beim Entladen in die andere Richtung. Bei den bislang genutzten Lithium-Ionen-Akkus ist der Elektrolyt eine Flüssigkeit – und das ist den Fahrzeugingenieuren ein Dorn im Auge. Denn zum einen ist das hinderlich für ein schnelles Aufladen der Batterie. Zum anderen kann die Flüssigkeit auslaufen, etwa wenn der Akku beschädigt wird. Das stellt ein gewisses Risiko dafür dar, dass sich die Substanz entzündet und den Akku in Brand setzt.

Die Lösung für diese Probleme könnte ein fester Elektrolyt sein, der diese negativen Eigenschaften nicht besitzt, zugleich aber bei anderen Merkmalen wie der erreichbaren Energiedichte der etablierten Technologie mindestens ebenbürtig ist. An solchen sogenannten Feststoff- oder Festkörperbatterien forschen unter anderem Felix Hartmann und Jürgen Janek in Gießen. Und auch eine Reihe von Unternehmen – darunter die großen Automobilkonzerne Volkswagen und Toyota – setzen für die Zukunft auf diese Karte.

Eine Wette auf die Zukunft

Ob sie am Ende sticht, ist aber ungewiss. Jürgen Janek rechnet jederzeit mit überraschenden Wendungen auf dem breiten Feld der Batterieforschung. Eine Chance darauf bieten neue Entdeckungen und überraschende Fortschritte, wie sie immer wieder vermeldet werden.

So berichteten australische Wissenschaftler im März 2024 über die Entwicklung einer Batterie, die Wasser als Elektrolyt enthält. Es dient als Transportmedium von Metall-Ionen zwischen den beiden Elektroden. Dabei haben die Forscher das Lithium der Anode durch Zink oder Magnesium ersetzt – beides Stoffe, die in der Natur in großer Menge zu finden sind und sich zu relativ geringen Kosten fördern lassen. Zwar wird dem Wasser in der neuartigen Batterie für den Ladungstransport ein Mix aus verschiedenen Salzen beigefügt, doch die seien ungefährlich und ließen sich nach dem Ende der Nutzung weit umweltfreundlicher entsorgen als die in den heute verwendeten Lithium-Ionen-Akkus enthaltene organische Elektrolyt-Flüssigkeit. Der Haken des neuen Batteriekonzepts: Bei der Energiedichte hinkt die Wasserbatterie den aktuell gebräuchlichen Akkus noch deutlich hinterher.

Ebenfalls noch am Anfang der Entwicklung steht ein neuartiger Energiespeicher, den US-amerikanische Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) 2023 präsentiert haben. Er basiert ausschließlich auf alltäglichen Materialien: Wasser, Ruß und Zement. Laut den MIT-Forschern lassen sich damit sogar höhere Energiedichten erreichen als mit derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien. Das Geheimnis dahinter verbirgt sich in fein verästelten Leiterbahnen in dem Material, die durch das Mischen von Ruß und Zement entstehen.

Ein Hoffnungsträger aus den USA

Vielleicht sorgt jedoch auch eine andere Entdeckung für neuen Wind in der Batterieforschung, über die ein Forscherteam an der North Carolina State University 2015 erstmals berichtet hat. Die US-Wissenschaftler stießen auf eine neue Klasse von Materialien, die inzwischen unter der Bezeichnung Hoch-Entropie-Oxide (HEO) bekannt ist. Das sind komplexe Sauerstoff-Verbindungen, die mindestens fünf unterschiedliche Arten von Metall-Ionen enthalten und dadurch eine außergewöhnliche kristalline Struktur erhalten. Das, so fanden die Forscher heraus, eröffnet ganz neue Möglichkeiten, um Materialeigenschaften nach eigenen Vorstellungen maßzuschneidern.

Der Trick dabei basiert auf der Entropie – einer physikalischen Größe, die sich als Maß für die Unordnung in einem System interpretieren lässt. Die HEO-Kristalle zeichnen sich im Prinzip durch zwei kombinierte Werte der Entropie aus: In einem übergeordneten Gitter aus regelmäßig angeordneten Sauerstoff-Atomen ist sie sehr groß, in der Anordnung der Metall-Ionen innerhalb dieses Gitters hingegen sehr klein. Denn die Ionen können sich willkürlich verstreut im Kristall anordnen, dabei die Plätze von Sauerstoff-Atomen einnehmen und diese immer wieder wechseln. Und je nach der Art und Verteilung der Metall-Ionen zeigt das Oxid unterschiedliche Merkmale.

In Heide an der Nordseeküste spielen solche Entwicklungen keine Rolle. Dort stehen die Zeichen in jedem Fall klar auf Aufbruch. Denn für den Bau der Batterie-Gigafactory dort will das Unternehmen Northvolt bis zu 4,5 Milliarden Euro investieren und mit der Fabrik in den nächsten Jahren rund 3.000 neue Arbeitsplätze schaffen. Das erscheint vielen Menschen in der nordfriesischen Region wohl immer noch wie ein Paukenschlag.