Leistung erhöhen und Kosten senken
Seit Jahren feilt die Wissenschaft an neuen Ideen, um Batterien leistungsfähiger bzw. ausdauernder zu machen. Denn die Grenzen sind bekanntermaßen rasch erreicht: Begonnen bei der stehengebliebenen Uhr bis hin zu den Mühen, die mit stets wiederkehrenden Problemen mit leeren Handyakkus verbunden sind.
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Dabei ist die Frage, wie man treibstoffbetriebene Elemente zugunsten alternativer Antriebe aus der Welt schafft, eine hinsichtlich des Klimaschutzes sehr bedeutsame. Hier kommen Batterien ins Spiel, deren Kapazität und Ausdauer es zu verbessern gilt. Der Ansatz ist einfach, die Möglichkeit zur Durchführung ist markant schwieriger. Seit Jahren versuchen Wissenschaftler, Lösungen zu finden, um Batterien ausdauernder zu machen - den vielen Zweiflern zum Trotz.
Ambitionierte Pläne um viel Geld
Der Schlüssel zu besseren Batterien soll bald gefunden sein, glaubt man den Vorgaben einer prominenten Wissenschaftlergruppe im US-amerikanischen Joint Centre for Energy Storage Research (JCESR). In dieser Abteilung des Argonne National Laboratory (ANL), eines der ältesten und größten Forschungsinstitute des US-Energieministeriums, umgarnen sich weltweit führende Experten aus den Labors der Forschungszentren und Universitäten - auch führende Unternehmen sind beteiligt. Ihr Ziel ist es, die Leistungsfähigkeit von Batterien binnen fünf Jahren um das Fünffache zu steigern bzw. Produkte im selben Maße billiger zu machen. 120 Mio. Dollar (88,73 Mio. Euro) gab das US-Ministerium für das Erreichen dieses Ziels frei.
Neue Stoffe braucht die Batterie
Die meisten Batterien, von den alten, klobigen Bleibatterien, die für den Start von Autos verbaut werden, bis hin zu jenen kleinen Lithium-Ionen-Akkus, die etwa E-Books und Uhren als sogenannte Gerätebatterien antreiben, haben drei Komponenten miteinander gemein: zwei Elektroden (eine Anode und eine Kathode) sowie eine chemische Verbindung, als Elektrolyt bezeichnet. Diese drei Komponenten stehen - stark vereinfacht gesagt - in einer Wechselwirkung zueinander. Grob umrissen geht es also für die Wissenschaft darum, an den Stoffen dieser drei „Zutaten“ zu feilen, um Batterien leistungsfähiger und erschwinglicher zu machen.
Über Vernetzung zu richtigen „Zutaten“
Um neue Materialien schneller zu finden, setzen die Experten derzeit auf Vernetzung: Den Weg dorthin soll das „Materials Project“ ebnen, eine Enzyklopädie über Stoffe. Dabei handelt es sich um eine Art „Google für Werkstoffeigenschaften“. Ein Blick in die umfangreiche Datenbank reicht, um doppelte Forschungsschritte zu vermeiden und sich im Sinne des rascheren Fortschritts nicht versehentlich in bereits „gemachte Betten“ zu legen.
Sind Lithium-Ionen-Batterien die Zukunft?
Doch entzweit die Frage nach der Zukunft der Lithium-Ionen-Batterie die Wissenschaft. Während die einen glauben, dass die wichtigsten Fortschritte im Zusammenhang mit dieser Technologie bereits erreicht wurden, glauben die anderen, dass die Speicherkapazität verdoppelt werden kann bzw. eine Kostenreduktion von bis zu vierzig Prozent möglich ist. Diese Uneinigkeit innerhalb der Wissenschaft lässt Zweifel zu, ob Lithium-Ionen-Batterien in Elektroautos auf längere Sicht die wahre Alternative zu Treibstoffantrieben sein können. Der Unternehmensberater McKinsey gesteht Lithium-Ionen-Akkus Konkurrenzfähigkeit bis ins Jahr 2020 zu - vorausgesetzt es gibt ständige Verbesserungen. Doch viele Forscher setzen bereits auf andere Möglichkeiten.
Luft als Schlüssel zum Erfolg?
Die in den Augen vieler Experten vielversprechendste Option ist der Lithium-Luft-Akku, der theoretisch eine Energiedichte von bis zu elf Kilowattstunden pro Kilogramm erreicht - das 50-Fache herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien. Seine Anode besteht aus metallischem Lithium, seine Kathode hingegen aus Sauerstoff oder einfach aus Luft. Damit wären die Batterien letztlich auch leichter.
Für Elektroautos wäre das hinsichtlich der Leistungsfähigkeit ein bedeutsamer Schritt - doch es gibt freilich Nachteile: Das Aufladen solcher Batterien dauert deutlich länger, zudem sind sie technisch noch zu anfällig. Zudem entflammen sie schnell, was ein über die derzeitigen Erfordernisse (in Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien, Anm.) hinausgehendes tragfähiges Sicherheitssystem erforderlich macht.
Weg vom Lithium, hin zum Fluss
Doch bei anderen Testmodellen hat Lithium bereits ausgedient - es kommen Magnesium und Aluminium zum Einsatz, die Forscher erwarten sich eine zwei- bis dreifache Leistungssteigerung. Die Elemente sind außerdem billiger und sicherer als Lithium.
Andere Hoffnungen ruhen auf der Redox-Flow-Zelle. Die auch unter dem Namen Flussbatterie bekannte Technologie speichert elektrische Energie in chemischen Verbindungen. Die Redox-Flow-Zelle wurde auch als Energiespeicher für künftige Elektroautos vorgeschlagen. Hier stellt das schnelle Aufladen eine wesentliche Herausforderung dar, ein Vorgang, der bei diesem Batterietyp einfach durch Austausch der Flüssigkeiten erfolgen kann, etwa an einer speziell ausgerüsteten Tankstelle.
Sicherheitsaspekt als wesentliche Grundfrage
Letztlich ist auch der Sicherheitsaspekt ein bedeutsamer Punkt. Was es zu übertreffen gilt, ist die Leistungsspanne der derzeit omnipräsenten Lithium-Ionen-Akkus, die derzeit in Elektro- und Hybridautos verbaut sind. Schließlich haben diese Antriebe einen gewaltigen Nachteil, wie sich kürzlich an der Pannenserie von Boeings „Dreamliner“-Flugzeugen zeigte: Sie neigen zu Überhitzung, was im schlimmsten Fall zu Bränden führt. Diese Eigenschaft verträgt sich offenbar nicht mit den immer höheren Anforderungen, die an Batterien gestellt werden.
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