Lithium ist ein wichtiger Rohstoff für die Produktion von Elektroautos. Denn daraus werden die Antriebsbatterien hergestellt. Doch ist Lithium aufgrund seiner Seltenheit nicht nur teuer, sondern bei der Ladedauer der Batterie als auch der Reichweite von E-Autos besteht noch Verbesserungsbedarf. Hinzukommt, dass die verbauten Batterien relativ leicht entzündlich sind.
Ein internationales Forscherteam vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA hat eine Aluminium-Schwefel-Batterie entwickelt, die diese Herausforderungen der Vergangenheit angehören lassen sollen. "Ich wollte etwas erfinden, das besser, viel besser ist als Lithium-Ionen-Batterien für kleine stationäre Speicher und schließlich für den Einsatz in Kraftfahrzeugen", erklärt der leitende Forscher Professor Donald Sadoway in einer Mittelung des MIT.
Bei seiner Suche nach geeigneten Rohstoffen für eine Batterie, welche weniger leicht entzündlich sind als die einer Lithium-Ionen-Batterie, schaute sich Sadoway das Periodensystem. Das kommerziell dominierende Metall, Eisen habe nicht die richtigen elektrochemischen Eigenschaften für eine effiziente Batterie, sagt er. Also wandte sich der Forscher Aluminium, dem zweithäufigsten Metall auf dem Markt, zu. Danach ging es ihm darum, eine andere Elektrode zu finden, um diese mit dem Aluminium zu verbinden. "Das billigste aller Nichtmetalle ist Schwefel, und so wurde es zum zweiten Elektrodenmaterial."
Um dann eben den Einsatz einer leicht entzündlichen Flüssigkeit zu vermeiden, entschied sich das Team um Sadoway für geschmolzene Salze mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt. "Sobald man in die Nähe der Körpertemperatur kommt, wird es praktisch", um Batterien herzustellen, die keine besondere Isolierung und Korrosionsschutzmaßnahmen erfordern, so Sadoway.
Aluminium unterscheide sich nicht von der Folie im Supermarkt, Schwefel falle häufig als Abfallprodukt bei Prozessen wie der Erdölraffination an und weit verbreitete Salze seien weit verbreitet, heißt es. "Die Zutaten sind billig, und die Sache ist sicher – sie kann nicht brennen."
Aluminium-Schwefel-Batterie hat deutlich größere Energiedichte
Hunderte von Testzyklen sollen schließlich gezeigt haben, dass die neuartige Aluminium-Schwefel-Batterie sehr hohen Ladegeschwindigkeiten standhält – bei einem Sechstel der Kosten von Lithium-Ionen-Batterien. Sadoway: "Wir haben Experimente mit sehr hohen Ladegeschwindigkeiten durchgeführt und in weniger als einer Minute aufgeladen." Die Verwendung des geschmolzenen Salzes soll zudem – anders als eine herkömmliche Batterie – einen Kurzschluss verhindern können und damit effizienter sein. Dass die Forscher eine Lösung gegen die Kurzschlüsse gefunden haben, bezeichnet Sadoway als einen "Glücksfall".
Außerdem ist die Batterie nicht auf eine externe Wärmequelle angewiesen, denn die Wärme wird auf natürliche Weise durch das Laden und Entladen der Batterie erzeugt. "Beim Aufladen wird Wärme erzeugt, die das Salz vor dem Gefrieren bewahrt. Und beim Entladen wird ebenfalls Wärme erzeugt", erklärt Sadoway.
Damit sei die Batterie ideal für Anlagen mit einer Speicherkapazität von einigen Dutzend Kilowattstunden, welche für die Stromversorgung eines Hauses oder eines kleinen bis mittleren Unternehmens erforderlich seien. Und sie könnte etwa in Ladestationen von Elektrofahrzeugen Einsatz finden. Wolle man mehrere E-Autos gleichzeitig an einer Ladestation laden und das mit einer hohen Ladegeschwindigkeit "sind die Stromstärken einfach so hoch, dass wir diese Stromstärke in der Leitung, die die Anlage speist, nicht haben". Die neuartige Batterie könnte genau dies umsetzen und so die Installation teurer neuer Stromleitungen für derartige Ladegeräte überflüssig machen.
Ob die Aluminium-Schwefel-Batterie tatsächlich halten wird, was sie verspricht, bleibt abzuwarten. Das neugegründete Unternehmen Avanti hat jedenfalls ein Patent auf das System angemeldet. Denn es gilt, Alternativen für die klassischen Lithium-Ionen-Batterie zu finden.
Alternativen zur Lithium-Ionen-Batterie
Eine Alternative dazu stellt die Feststoffbatterie dar. Jene Art, die laut einer im Mai veröffentlichten Studie des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) zuerst in größerer Menge auf den Markt kommen wird, basiert ebenfalls auf Lithium-Ionen – allerdings verwendet sie Festelektrolyten statt flüssige Elektrolyten.
Die Studie sagt der Feststoffbatterie ein "großes Potenzial" voraus. Demnach könnte sie klassische Lithium-Ionen-Batterie in der Energiedichte und möglicherweise auch in ihrer Lebensdauer übertreffen. Zudem soll sie durch eine verringerte Brandgefahr eine höhere Sicherheit bieten, da sie keine brennbaren Flüssigkeiten enthält. Das ISI geht allerdings davon aus, dass die Feststoffbatterie noch ein paar Jahre auf sich warten lassen wird. Die Produktion soll demnach zwischen 2025 und 2030 stark zunehmen. Zur Markteinführung werden deutlich höhere Kosten als die der Lithium-Ionen-Batterie prognostiziert.
Was Sie schon immer über Stromtanken wissen wollten, aber nie zu fragen wagten
Von solchen großen E-Tankstellen sind wir noch etwas entfernt, doch die Anzahl der Ladepunkte ist im vergangenen Jahr deutlich gestiegen. Bei der Bundesnetzagentur sind aktuell 12.278 Ladesäulen (Stand 5. Februar 2020) gemeldet, von denen viele mehr als einen Ladepunkt haben. In der Regel kommen auf eine Ladesäule zwei Ladepunkte, in seltenen Fällen sind es sogar drei. Sodass man von rund 24.000 Ladepunkten ausgehen kann. Laut dem "Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft“" (bdew) werden über 70 Prozent der bestehenden Ladepunkte von Energieunternehmen betrieben. Ein anderes Bild liefern da "statistica com" (rund 18.700 Ladestationen) und "goingelectric.de" (19.279 Standorte, 55.212 Ladepunkte), die auch durch Meldungen die Elektromobilisten aktuell gehalten wird. Betrachtet man die Verteilung der Ladepunkte, fällt auf, dass im Osten Deutschlands die Dichte der Ladesäulen abnimmt. Nach Schätzungen des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft (bdew) sind für eine Million E-Autos 70.000 Normalladepunkte und 7.000 Schnellladepunkte nötig.
Auch die Natrium-Ionen-Batterie könnte die Lithium-Ionen-Batterie ablösen. Ihr Aufbau ist ähnlich, allerdings besteht Erstere nicht aus Lithium sondern aus Natrium, einem Rohstoff mit hohen Vorkommnissen. Schließlich ist dieser etwa in Kochsalz enthalten und weltweit verfügbar. Außerdem lässt sich so auf die Verwendung von Kobalt und Nickel verzichten, die in Lithium-Ionen-Batterien enthalten sind und zu den seltenen Rohstoffen gehören. Mehrere Hersteller wollen Natrium-Ionen-Batterien in den nächsten Monaten auf den Markt bringen – wenn auch die Energiedichte bislang geringer ist als die der Lithium-Ionen-Batterie.
Quellen: MIT, Fraunhofer ISI, SWR, Zeit
