Die Neuerfindung der Batterie?

Unsere Energiezukunft liegt bei den erneuerbaren Energien, da sind sich alle einig. Doch es gibt eine grosse Herausforderung: die Speicherung der gewonnenen Energie. Kann neueste Batterietechnologie die Lösung bieten?

Irene M. Wrabel
15. Dezember 2023
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Foto: zVg

Batterien kannten wir lang nur als einmal verwendbare Energieträger. Doch die Technologie hat sich weiterentwickelt: In vielen Geräten, die unseren Alltag bereichern und erleichtern sind Akkus verbaut, wiederaufladbare Energiespeicher. In der Forschung spricht man allerdings noch immer von Batterietechnologie. Dies nur zur Begriffsklärung.

Lithium-Ionen-Akkus sind überall

Die vorherrschende Technologie, wenn es um wiederaufladbare Energiespeicher geht, sind heute Lithium-Ionen-Akkus. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte eignen sie sich hervorragend für portable und mobile Anwendungen. Deshalb sind sie in Handys und Laptops sowie in fast allen akkubetriebenen Geräten heute omnipräsent. Aber auch bei E-Velos und E-Autos werden kaum noch andere Batterie-Typen eingesetzt. Als stationäre Speicher werden ebenfalls Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt, etwa bei Heimspeichern, die den erzeugten Strom aus Photovoltaikanlagen für kurze Zeit zwischenspeichern. Es gibt zahlreiche verschiedene Lithium-Ionen-Akkus, die sich in Grösse und Bauform, vor allem aber in der chemischen Zusammensetzung ihrer Komponenten unterscheiden.

Vorteile, aber auch Defizite

Doch es gibt auch Nachteile: Lithium-Ionen-Akkus können unter bestimmten Bedingungen instabil werden und sogar explodieren, wenn sie beschädigt sind oder falsch geladen werden. Und sie sind empfindlich gegenüber hohen Temperaturen. Ihre Lebensdauer verringert sich dadurch schnell. Hinzu kommt die Umweltbilanz: Ihre Herstellung erfordert seltene Rohstoffe und kann umweltbelastend sein. Hier setzt die aktuelle Forschung an: Durch die Verwendung von neuen Materialien für Elektroden und den Einsatz neuer Technologien will man Leistung und Haltbarkeit verbessern und zudem die Sicherheit erhöhen.

Batterien kannten wir lang nur als einmal verwendbare Energieträger. Doch die Technologie hat sich weiterentwickelt: In vielen Geräten, die unseren Alltag bereichern und erleichtern sind Akkus verbaut, wiederaufladbare Energiespeicher. In der Forschung spricht man allerdings noch immer von Batterietechnologie. Dies nur zur Begriffsklärung.

Lithium-Ionen-Akkus sind überall

Die vorherrschende Technologie, wenn es um wiederaufladbare Energiespeicher geht, sind heute Lithium-Ionen-Akkus. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte eignen sie sich hervorragend für portable und mobile Anwendungen. Deshalb sind sie in Handys und Laptops sowie in fast allen akkubetriebenen Geräten heute omnipräsent. Aber auch bei E-Velos und E-Autos werden kaum noch andere Batterie-Typen eingesetzt. Als stationäre Speicher werden ebenfalls Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt, etwa bei Heimspeichern, die den erzeugten Strom aus Photovoltaikanlagen für kurze Zeit zwischenspeichern. Es gibt zahlreiche verschiedene Lithium-Ionen-Akkus, die sich in Grösse und Bauform, vor allem aber in der chemischen Zusammensetzung ihrer Komponenten unterscheiden.

Vorteile, aber auch Defizite

Doch es gibt auch Nachteile: Lithium-Ionen-Akkus können unter bestimmten Bedingungen instabil werden und sogar explodieren, wenn sie beschädigt sind oder falsch geladen werden. Und sie sind empfindlich gegenüber hohen Temperaturen. Ihre Lebensdauer verringert sich dadurch schnell. Hinzu kommt die Umweltbilanz: Ihre Herstellung erfordert seltene Rohstoffe und kann umweltbelastend sein. Hier setzt die aktuelle Forschung an: Durch die Verwendung von neuen Materialien für Elektroden und den Einsatz neuer Technologien will man Leistung und Haltbarkeit verbessern und zudem die Sicherheit erhöhen.

Durch die Verwendung von neuen Materialien für Elektroden und den Einsatz neuer Technologien wollen Forschende die Leistung und Haltbarkeit von Batterien verbessern und zudem die Sicherheit erhöhen.

Neue Technologien werden erforscht

Ein neuer Ansatz sind sogenannte Graphen-Akkus. Graphen ist ein Material, das aus Kohlenstoffatomen besteht und eine hohe Leitfähigkeit und Festigkeit aufweist. In Akkus soll es als Elektrodenmaterial zum Einsatz kommen und aus der thermischen Bewegung von Molekülen Strom erzeugen. Es wird erwartet, dass Graphen-Akkus eine höhere Energiedichte, eine schnellere Ladezeit und eine längere Lebensdauer haben als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Die Herstellung von Graphen-Akkus ist jedoch noch Zukunftsmusik, da die Produktion von Graphen schwierig und teuer ist.

Metall-Luft- und Festkörper-Akkus

Ein weiterer neuer Forschungsgegenstand sind Metall-Luft-Akkus. Dabei werden Sauerstoff als Kathodenmaterial und Metalle wie Zink oder Aluminium als Anodenmaterial verwendet. Sie haben eine sehr hohe Energiedichte und wären deshalb als Energiespeicher für Elektrofahrzeuge geeignet. Allerdings gibt es noch einiges zu lösen, allen voran das Problem, dass Metall-Luft-Akkus bei Kontakt mit Feuchtigkeit korrodieren können.

Grosse Hoffnungen setzt man hingegen schon heute in Festkörper-Akkus. Dabei werden anstelle von flüssigen Elektrolyten Feststoffe verwendet. Ihr Vorteil: Sie sind nicht brennbar und haben kein Auslaufrisiko – ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Weitere Pluspunkte der Festkörper-Akkus sind auch eine höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer. An der Weiterentwicklung der Technologie wird mit Hochdruck geforscht, einsetzfähige Lösungen scheinen in greifbarer Nähe.

Die Umwelt möglichst wenig belasten

Bei aller Euphorie in Bezug auf neue Technologien bleibt doch ein weiterer kritischer Punkt, nämlich die Umweltbelastung. Die Herstellung von Akkus ist rohstoff- und energieintensiv, auch die Entsorgung ist oftmals problematisch. Ein wichtiger Forschungsgegenstand ist also die Reduktion der Umweltauswirkungen. Geforscht wird an weniger umweltbelastenden Materialien und Produktionsprozessen, aber auch an verbesserter Kapazität und Lebensdauer. Ein weiterer Ansatz ist die Entwicklung von geeigneten Recyclingverfahren, um die eingesetzten Rohstoffe im Sinne der Kreislaufwirtschaft wieder in die Produktion neuer Akkus zurückzuführen.

Die Zukunft im Blick

Die aktuelle Forschung hat vor allem den Einsatz neuer Akkutechnologien in der E-Mobilität und der Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen im Fokus. Themen wie die Erhöhung der Kapazität, Verlängerung der Lebensdauer und Sicherheit der eingesetzten Technologie spielen dabei ebenso eine Rolle wie Umweltaspekte bei Produktion, Gebrauch und Entsorgung.

Doch während im Bereich der Elektrofahrzeuge ständig Verbesserungen erzielt werden, werden dem Einsatz von Akkus für die Energiespeicherung etwa von Solar- oder Windenergie noch länger enge Grenzen gesetzt sein: Megaakkus, die saisonal Strom für ganze Regionen speichern können, sind nach wie vor in weiter Ferne.

Neue Technologien werden erforscht

Ein neuer Ansatz sind sogenannte Graphen-Akkus. Graphen ist ein Material, das aus Kohlenstoffatomen besteht und eine hohe Leitfähigkeit und Festigkeit aufweist. In Akkus soll es als Elektrodenmaterial zum Einsatz kommen und aus der thermischen Bewegung von Molekülen Strom erzeugen. Es wird erwartet, dass Graphen-Akkus eine höhere Energiedichte, eine schnellere Ladezeit und eine längere Lebensdauer haben als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Die Herstellung von Graphen-Akkus ist jedoch noch Zukunftsmusik, da die Produktion von Graphen schwierig und teuer ist.

Metall-Luft- und Festkörper-Akkus

Ein weiterer neuer Forschungsgegenstand sind Metall-Luft-Akkus. Dabei werden Sauerstoff als Kathodenmaterial und Metalle wie Zink oder Aluminium als Anodenmaterial verwendet. Sie haben eine sehr hohe Energiedichte und wären deshalb als Energiespeicher für Elektrofahrzeuge geeignet. Allerdings gibt es noch einiges zu lösen, allen voran das Problem, dass Metall-Luft-Akkus bei Kontakt mit Feuchtigkeit korrodieren können.

Grosse Hoffnungen setzt man hingegen schon heute in Festkörper-Akkus. Dabei werden anstelle von flüssigen Elektrolyten Feststoffe verwendet. Ihr Vorteil: Sie sind nicht brennbar und haben kein Auslaufrisiko – ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Weitere Pluspunkte der Festkörper-Akkus sind auch eine höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer. An der Weiterentwicklung der Technologie wird mit Hochdruck geforscht, einsetzfähige Lösungen scheinen in greifbarer Nähe.

Die Umwelt möglichst wenig belasten

Bei aller Euphorie in Bezug auf neue Technologien bleibt doch ein weiterer kritischer Punkt, nämlich die Umweltbelastung. Die Herstellung von Akkus ist rohstoff- und energieintensiv, auch die Entsorgung ist oftmals problematisch. Ein wichtiger Forschungsgegenstand ist also die Reduktion der Umweltauswirkungen. Geforscht wird an weniger umweltbelastenden Materialien und Produktionsprozessen, aber auch an verbesserter Kapazität und Lebensdauer. Ein weiterer Ansatz ist die Entwicklung von geeigneten Recyclingverfahren, um die eingesetzten Rohstoffe im Sinne der Kreislaufwirtschaft wieder in die Produktion neuer Akkus zurückzuführen.

Die Zukunft im Blick

Die aktuelle Forschung hat vor allem den Einsatz neuer Akkutechnologien in der E-Mobilität und der Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen im Fokus. Themen wie die Erhöhung der Kapazität, Verlängerung der Lebensdauer und Sicherheit der eingesetzten Technologie spielen dabei ebenso eine Rolle wie Umweltaspekte bei Produktion, Gebrauch und Entsorgung.

Doch während im Bereich der Elektrofahrzeuge ständig Verbesserungen erzielt werden, werden dem Einsatz von Akkus für die Energiespeicherung etwa von Solar- oder Windenergie noch länger enge Grenzen gesetzt sein: Megaakkus, die saisonal Strom für ganze Regionen speichern können, sind nach wie vor in weiter Ferne.

Die aktuelle Forschung hat vor allem den Einsatz neuer Akkutechnologien in der E-Mobilität und der Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen im Fokus.

Wir haben uns mit Andreas Hutter, Präsident der iBAT Association und Bereichsleiter beim Schweizer Forschungs- und Entwicklungszentrum CSEM üder die Zukunft der Batterietechnologie unterhalten: 

Wir haben uns mit Andreas Hutter, Präsident der iBAT Association und Bereichsleiter beim Schweizer Forschungs- und Entwicklungszentrum CSEM üder die Zukunft der Batterietechnologie unterhalten: 

Zum Interview mit Andreas Hutter