Die Batterie der Zukunft: Sicherer und leistungsfähiger

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Wir haben uns mit dem Batterieexperten Andreas Hutter über die Zukunft der Batterietechnologie unterhalten.

Foto: zVg

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Herr Hutter, welche Typen von Batterien gibt es, welche sind aktuell in welchen Bereichen im Einsatz?

Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher. Bei der Entladung wird die gespeicherte chemische Energie durch Reaktionen in elektrische Energie umgewandelt. Man unterscheidet Batterien also vor allem nach der Zellchemie, den chemischen Elementen, die in der Kathode zur Anwendung kommen.

Akkus mit Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid und solche mit Nickel-Mangan-Cobalt, die sogenannten NCA- und NMC-Akkus werden bevorzugt für den Betrieb von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Die LFP-Technologie, also Lithium-Eisenphosphat-Akkus kommen bevorzugt bei stationären Speichern zum Einsatz, wie etwa bei Photovoltaikanlagen als Zwischenspeicher. Dazu gibt es noch Lithiumtitanat-Akkus (LTO), die man vor allem bei Bussen und Zügen findet. Deren Betrieb erfordert eine hohe Lebensdauer oder sehr grosse Ladeströme. Das können LTO-Akkus leisten.

Alle diese Typen unterscheiden sich in ihrer Zyklenfestigkeit, also der Lebensdauer, in der Energiedichte sowie in der Temperaturabhängigkeit. Das schlägt sich schlussendlich auch im Preis nieder.

Herr Hutter, welche Typen von Batterien gibt es, welche sind aktuell in welchen Bereichen im Einsatz?

Alle diese Typen unterscheiden sich in ihrer Zyklenfestigkeit, also der Lebensdauer, in der Energiedichte sowie in der Temperaturabhängigkeit. Das schlägt sich schlussendlich auch im Preis nieder.

Bild: zVg - Andreas Hutter ist Präsident der iBAT Association, Experte bei Innosuisse und Bereichsleiter beim Schweizer Forschungs- und Entwicklungszentrum CSEM.

Andreas Hutter ist Präsident der iBAT Association, Experte bei Innosuisse und Bereichsleiter bei CSEM SA, einem Schweizer Forschungs- und Entwicklungszentrum mit Sitz in Neuchâtel, das in den Bereichen Mikrofertigung, Digitalisierung und erneuerbare Energien tätig ist.

Worin besteht die grösste Herausforderung bei der Entwicklung von Batterien?

In technischer Hinsicht gibt es aktuell zwei Herausforderungen. Einerseits geht es darum, die Sicherheit der Batterietechnologie zu erhöhen. Andererseits forscht man an der Erhöhung der Energiedichte, also der Leistung, die Batterien zur Verfügung stellen können.

Doch auch in organisatorischer Hinsicht gibt es noch einige Aufgaben zu lösen: Bis 2035 sollen in den meisten europäischen Ländern keine Autos mit Verbrennungsmotoren mehr verkauft werden. Statt Benzin und Diesel braucht es dann Unmengen an Batterien für Elektrofahrzeuge und für stationäre Stromspeicher. Über 90 Prozent der Batterien kommen aktuell aus China, Südkorea und Japan. Um diese Abhängigkeit von asiatischen Ländern zu vermeiden, soll die Batterieproduktion künftig vermehrt in Europa stattfinden. Es geht also darum, eine Batterieproduktion mit etlichen Gigafactories in Europa anzusiedeln. Das erfordert immense Investitionen.

Worin besteht die grösste Herausforderung bei der Entwicklung von Batterien?

In der Forschung legt man den Fokus aktuell auf zwei Bereiche: die Erhöhung der Sicherheit der Batterietechnologie sowie der Energiedichte, also der Leistung, die Batterien zur Verfügung stellen können.

Wie sieht es mit der Sicherheit aus? Welches Gefahrenpotenzial haben Batterien?

Bei den aktuell eingesetzten Batterien wird ein brennbares Elektrolyt – die Schicht zwischen Anode und Kathode, die den Ionentransport sicherstellt – verwendet. Falls dieses Elektrolyt an einer Stelle zu brennen beginnt, kommt es zu einer Kettenreaktion, die die gesamte Energie der Batterie auf einmal freisetzen kann. Der Effekt ist dann ähnlich, wie wenn ein Benzintank zu brennen beginnt. Doch es wird an Alternativen geforscht.

Welche sind das?

Eines der grossen Themen sind die sogenannten Festkörperbatterien (SSB oder solid-state batteries), welche einen soliden und nicht mehr brennbaren Elektrolyten aufweisen. Das erhöht die Sicherheit im Betrieb natürlich massiv. Zudem besitzen Festkörperbatterien die Möglichkeit, die Energiedichte beinahe zu verdoppeln.

Wann könnten solche Festkörperbatterien verfügbar sein?

Ich denke, dass Festkörperbatterien wohl frühestens in fünf Jahren eine massgebliche Rolle bei den Lithium-Ionen-Batterie-Lösungen spielen werden. Wahrscheinlich dauert es aber eher noch zehn Jahre, bis diese Technologie zum Massenprodukt wird.

Wir gehen davon aus, dass diese Entwicklungen in den nächsten 5 bis 10 Jahren in den Markt eingeführt werden können

Wird es bei der Reichweite von E-Autos einen Sprung nach oben geben? Was ist realistisch?

Aktuell wird daran gearbeitet, die Energiedichte von zurzeit 270Wh/kg auf etwa 450Wh/kg zu erhöhen. Neben den Festkörperbatterien wird dabei der Ersatz von Graphit durch Silizium erforscht oder auch die Verbesserung der aktuellen NCA/NMC Technologie. Damit sollte es möglich sein, die Reichweite von heute 500 Kilometern auf bis zu 1000 Kilometer auszudehnen. Wir gehen davon aus, dass diese Entwicklungen in den nächsten 5 bis 10 Jahren in den Markt eingeführt werden können.

Wie sieht es mit der Sicherheit aus? Welches Gefahrenpotenzial haben Batterien?

Welche sind das?

Wann könnten solche Festkörperbatterien verfügbar sein?

Wir gehen davon aus, dass diese Entwicklungen in den nächsten 5 bis 10 Jahren in den Markt eingeführt werden können

Wird es bei der Reichweite von E-Autos einen Sprung nach oben geben? Was ist realistisch?

Batterien werden gemäss Hutter wohl auf absehbare Zeit kaum für die saisonale Speicherung von Solarenergie in Frage kommen?

Wie sieht es in punkto Nachhaltigkeit bei Produktion, Gebrauch und Entsorgung aus?

Elektrofahrzeuge sind in der Herstellung zwar weniger umweltfreundlich als Benziner. Dies wird aber im Betrieb durch die nicht vorhandenen direkten Abgase mehr als wettgemacht. Das hat eine Studie des Paul Scherrer Instituts klar gezeigt. Elektrofahrzeuge sind aktuell die nachhaltigste Variante. Was die Entsorgung angeht, wird diese immer weiter aufgebaut, wobei die Wiedernutzung der Materialien im Vordergrund steht. Eine neue Verordnung der EU verschärft die Nachhaltigkeitsvorschriften für Batterien und Altbatterien. Sie regelt den gesamten Lebenszyklus einer Batterie, von der Herstellung über die Wiederverwendung bis hin zum Recycling.