Wettstreit um die Superbatterie

Ohne Batterien ist die Energiewende nicht zu schaffen. Forscher arbeiten an den ultimativen Akkus: Sie funktionieren mit Lithium und Luft. Doch die Herstellung lässt auf sich warten.

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Wenn es um Superlative geht, ist die Batterieindustrie nicht zurückhaltend. Es geht um die grösste, die leichteste, die stärkste Batterie. Der chinesische Batteriehersteller BYD liess Anfang Jahr verlauten, die grösste Batterie der Welt gebaut zu haben, fähig, bei Netzausfall 12'000 Haushalte für eine Stunde mit Strom zu versorgen. ABB und der Kanton Zürich testen seit Mitte März in Dietikon die grösste Batterie der Schweiz.

Die Liste der Batterieprojekte in der Forschung und in der Industrie ist lang, Milliarden werden heute investiert. Das Zauberwort heisst Lithium. Das Leichtmetall ist ein Erfolg, seit das Handy- und MP3-Zeitalter angebrochen ist. Lithium-Ionen-Akkus stecken in Smartphones, Laptops und immer mehr in Hybridautos. Und, was Experten vor Jahren noch für undenkbar hielten: Sie machen mittelfristig auch den Grossbatterien Konkurrenz.

Noch sind allerdings zwei Drittel der grossen Akkumulatoren aus Blei, Schwefelsäure und Kunststoff aufgebaut. Doch läuft deren Zeit allmählich ab. Denn die Energiedichte der Bleibatterie – etwa 30 Wattstunden pro Kilogramm – kann nicht mehr wesentlich erhöht werden. Auch die Lebensdauer von sechs bis zwölf Jahren entspricht nicht mehr den Anforderungen der Energieversorgung der Zukunft. Die Grossbatterie hat die Aufgabe, das Stromnetz zu stabilisieren. Sie soll Überschussenergie, die bei Wind- und Solaranlagen unplanmässig anfällt, zwischenspeichern und innert Sekunden und Minuten bei Bedarf wieder ins Netz einspeisen. Dafür sollten Batterien mindestens 20 Jahre halten, damit sich eine Anschaffung lohnt. Davon ist die Industrie noch weit entfernt.

Lange Lebensdauer, hohe Ladefähigkeit, niedriges Gewicht, wettbewerbsfähige Kosten: Die Ansprüche sind zahlreich, entsprechend vielfältig sind auch die verwendeten Materialzusammensetzungen: Blei-Säure, Lithium-Ionen, Natrium-Schwefel, Natrium-Nickel-Chlorid, Nickel-Kadmium, Nickel-Metall-Hydrid. «In den Labors werden unzählige Materialien kombiniert, doch viele fallen schnell einmal raus, weil die Kosten zu hoch sind oder die Komponenten giftig», sagt Petr Novák, Batterieforscher am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Villigen.

Reichweite von 800 Kilometern

Eine neue Kombination jedoch könnte der Schlüssel zur Superbatterie sein: Lithium-Luft. Darauf setzt zum Beispiel IBM beim Projekt Battery 500 für Elektrofahrzeuge. In Zukunft sollen 800 Kilometer Reichweite mit einer Batterieladung möglich sein.

Reagiert Lithium mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft, erhöht sich die Energiedichte gegenüber heutigen Lithium-Ionen-Batterien um den Faktor 5 bis 10. PSI-Forscher Petr Novák hat es durchgerechnet: Ein Elektroauto mit einem Gewicht von rund 1700 Kilogramm bräuchte nach heutigem Standard 650 bis 700 Kilogramm Batterie, um 500 Kilometer mit einer Ladung fahren zu können. Mit einem Lithium-Luft-Akku wäre dieselbe Batterie zehnmal leichter. «Theoretisch», relativiert Novák. Seine Schätzungen basieren auf einer Stromproduktion von 2000 Wattstunden pro Kilogramm. «Mehr liegt aus chemischen und physikalischen Gründen nicht drin», sagt der Chemieingenieur. Lithium ist das leichteste Metall im Periodensystem, in Kombination mit Sauerstoff holt man elektrochemisch das Beste heraus. Eine höhere Energiedichte ergebe nur noch eine Reaktion von Lithium mit Fluor, doch diese Mischung wäre so reaktiv, dass die Batterie früher oder später explodieren würde.

Bei aller Euphorie um die Lithium-Luft-Batterie bleibt PSI-Forscher Novák vorsichtig. Ein sicheres System funktioniert seiner Ansicht nach vermutlich nur mit etwa 1000 Wattstunden pro Kilogramm. Das wäre gegenüber herkömmlichen Batterien immer noch ein sensationeller Fortschritt. So sieht es auch Winfried Wilcke, IBM-Projektleiter von Battery 500 in den USA. «800 Kilometer Reichweite sind trotzdem realistisch», sagt er. Das Ziel von IBM: in acht bis zehn Jahren mit der Autobatterie auf dem Markt zu sein.

Petr Novák forscht seit drei Jahrzehnten an verschiedenen Lithium-Kombinationen. Der Teufel beim Lithium-Luft-Konzept liege im Detail, sagt er: Autoakkus sind enorm beansprucht, über die Lebensdauer müssen sie Tausende Lade- und Entladezyklen aushalten. Das beschleunigt den Alterungsprozess. So wandern die elektrisch geladenen Lithium-Ionen in der Batterie ständig zwischen den negativen und positiven Elektroden hin und her. Dabei geht an der Oberfläche der einen Elektrode Lithium zyklisch in Lösung und kristallisiert wieder aus. «Solange dieser Prozess gleichmässig abläuft, ist das unproblematisch. Doch leider bilden sich an der Elektrode feine Nadeln, die sehr reaktiv sind», sagt Petr Novák. Die Konsequenz: Das ganze System kann überhitzen.

Bessere Chancen räumt er Lithium-Schwefel-Batterien ein. Diesen Typ erforscht auch das PSI seit einiger Zeit. Die Energiedichte ist deutlich höher als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Vorteilhaft ist zudem, dass Schwefel umweltfreundlich und kostengünstig ist.

Der Wärmeverlust ist ungelöst

Lithium-Ionen-Batterien haben viele Vorteile. Sie sind aber trotz der hohen Ladungsdichte im Vergleich zu Batterien mit anderen Materialkombinationen immer noch am teuersten. Eine Kilowattstunde gespeicherte Energie kostet zwischen 500 und 1000 Euro. Blei-Säure-Akkumulatoren sind deutlich billiger.Viele Experten erwarten jedoch schon bald eine Kehrtwende, wenn auch die Lebensdauer in der Kostenrechnung einen Faktor spielt. Novák ist zurückhaltender: Eine 20-jährige Garantie gibt es seiner Ansicht nach bei Lithium-Ionen-Batterien noch nicht. Dazu fehlt die Erfahrung. In Satelliten zum Beispiel sind Lithium-Ionen-Batterien seit 15 Jahren in Betrieb. An der Elektrochemie der Batterien, sagt Novák, ändere sich auch bei grösserer Skalierung nichts, jedoch beim Wärmemanagement. Selbst bei einer Effizienz von 90 bis 95 Prozent gehen nämlich 5 bis 10 Prozent in Form von Wärme verloren. Kleine Batterien kühlen sich selbst ab, bei Grossbatterien muss die Wärme durch Luft oder Flüssigkeit abgeführt werden. «Der Einfluss der Wärme auf die Lebensdauer einer Batterie ist noch nicht vollständig verstanden», sagt der PSI-Wissenschaftler.

Trotzdem wagen ETH-Forscher im Bericht «Energiezukunft Schweiz» eine Prognose: Sie gehen davon aus, dass stationäre Batterien im Vergleich zu Autobatterien in Zukunft tendenziell billiger sein werden. Die Wahl der idealen Batterie hängt letztlich vom Anwendungszweck ab. Doch laut Novák entscheiden nicht nur die harten Fakten, welche Batterie den Durchbruch schafft. «Kosten über die Lebensdauer sind wichtig, doch auch Marketing und die politischen Rahmenbedingungen spielen eine Rolle.»


Diese Serie wurde ermöglicht durch die Unterstützung des Tamedia-Förderpreises.

Erstellt: 19.10.2012, 11:12 Uhr

Energie-Serie

Teil 2: Mit der LithiumLuft-Batterie könnte ein Elektroauto 800 Kilometer fahren. Die Entwicklung entpuppt sich aber als schwierig.

Weitere Folgen:
Teil 3: Die Renaissance der Druckluft
Teil 4: Megabaustellen für die Wasserkraft
Teil 5: Die Methanol-Revolution

Diese Serie wurde ermöglicht durch die Unterstützung des Tamedia-Förderpreises.

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