Höher, schneller, weiter: Das ist nicht nur das Motto der Olympischen Spiele, sondern das erwarten sich auch viele Nutzer von der Batterieforschung. Akkus sollen eine höhere Leistung haben, Smartphones schneller aufladbar sein und Elektroautos länger und weiter fahren können. Doch sind diese Erwartungen zu hoch? Und wie sieht die Batterieforschung der Zukunft aus?

DER STANDARD hat bei Martin Wilkening nachgefragt. Er leitet das Institut für Chemische Technologien von Materialien (ICTM) sowie das Christian-Doppler-Labor für Lithium-Batterien an der TU Graz.

Martin Wilkening leitet das Institut für Chemische Technologien von Materialien sowie das Christian-Doppler-Labor für Lithium-Batterien an der TU Graz.
Foto: TU Graz/Lunghammer

Marketingfrage

Mit dem Begriff "Wunderakku" kann Wilkening wenig anfangen. "Die Fantasie mancher Forscher ist sicherlich grenzenlos, und das ist auch gut so, aber die Naturgesetze sind es nicht", sagt er. Denn ob Unternehmen oder Universitäten, jeder wolle und müsse sich am Markt behaupten. "Da sind neue Batterien schnell mal die Sensation", sagt er.

Deshalb müsse man das Produkt genau betrachten. Denn unter Umständen sei eine Eigenschaft davon wirklich bahnbrechend, aber dafür leide eine andere Stelle im System, die jedoch gerne verschwiegen werde. Welche Schwachstellen ein vermeintlicher Wunderakku haben kann, erläutert dieser Artikel: "Nichts Besonderes": Experte beleuchtet fünf "Wunderakkus".

Anfänge in den 70ern

Aber zurück in die Zukunft. Smartphone- oder Elektroautobesitzer mögen vom Wunderakku träumen, aber nötig sei dieser eigentlich nicht, sagt Wilkening. Dazu reicht ein Rückblick. Die Grundlage für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus wurde während der Ölkrise der 1970er-Jahre geschaffen. An deren Pioniere wird im Dezember der Nobelpreis in Chemie verliehen. In den 90ern hat das Tech-Unternehmen Sony mit Forschern das heutige Konzept der Lithium-Ionen-Batterie entwickelt und das System kommerzialisiert.

An dieser Stelle kleine Physik-Nachhilfe: Die klassische Lithium-Ionen-Batterie besteht aus Anode (Minuspol) und Kathode (Pluspol). Beim Be- und Entladen werden zwischen diesen beiden Elektroden die Lithium-Ionen hin- und hergeschickt. Dies ermöglicht eine flüssige Elektrolytlösung, die den Elektronen als Transportmedium zwischen den beiden Polen dient.

Dieser Akku ist heute noch – in verbesserter Form – Standard. Das sei kein Wunder, sondern der normale Werdegang. "Die heutige Batterie wäre in den 90ern als Wunderakku präsentiert worden", sagt der Fachmann.

Gute Entwicklungskurve

Wurde sie aber nicht, denn – da müsse man realistisch sein – so eine Entwicklung von der Forschung bis zur Marktreife nehme eben viel Zeit in Anspruch. Wilkening bescheinigt der Lithium-Ionen-Batterie eine gute Entwicklungskurve, wenn auch weniger für Europa – der Kontinent spielte in der Vergangenheit in der Suche nach dem zukünftigen Wunderakku nicht unbedingt die Hauptrolle. Asien – genauer Japan, China und Südkorea – sei das Zugpferd. Die USA versuchen, mit dem Elektroautohersteller Tesla aufzuholen.

Diese Rollenverteilung hätte sich in den letzten Jahrzehnten so ergeben. In Europa seien die Forschungsgebiete Elektrochemie und Batterien viel zu wenig beachtet worden, so der Experte. Außerdem sei unser Kontinent in der Rohstoffverteilung benachteiligt. Graphit, wichtiger Bestandteil in den heutigen Batterien, gebe es etwa kaum in Europa, in China dafür umso mehr.

Akkus sollen eine höhere Leistung haben, Smartphones schneller laden und Elektroautos eine größere Reichweite haben.
Foto: REUTERS/Ints Kalnins -/File Photo

Natrium-Ionen-Batterie

Aber welche Alternativen zur Lithium-Ionen-Batterie sind denn aktuell Thema in der Forschung? Wilkening nennt zunächst einmal die Natrium-Ionen-Batterie, die statt Lithium- Natrium-Ionen als Ladungsträger verwendet. Der Reiz dessen ist leicht erklärt: Natrium sei viel besser verfügbar als Lithium, somit billiger und folglich eine "beliebte Spielwiese für Forscher". Für einen Wunderakku eigne sich das Element zwar noch nicht, denn die (Entlade-)Kapazität von Natrium-Ionen-Batterien sei derzeit noch geringer als jene der Lithium-Ionen-Batterien. Aber die Frage sei auch, was sich die Gesellschaft erwartet.

Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit

Wenn man bedingungslos mehr Leistung fordere, bleibe irgendwann die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit auf der Strecke, so Wilkening. Hier stünden Unternehmen und Forschung in der Verantwortung. Für Letztere heiße das zum Beispiel: Die Grundlagenforschung könne durchaus mit teuren Materialen experimentieren. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse müsse man dann aber nutzen, um umweltfreundliche und damit massentaugliche Materialien zu entwickeln.

"Rohstoffe wie Kobalt oder Nickel werden knapp werden, außerdem werden diese zum Teil unter menschenunwürdigen Bedingungen außerhalb von Europa gewonnen", sagt Wilkening. Hier bedürfe es dringend neuer, nachhaltiger Konzepte. "In Graz forschen wir zum Beispiel an energiesparenden Synthesemethoden für Materialien."

Lithium-Schwefel-Batterie

Die Lithium-Schwefel-Batterie hätte wiederum eine deutlich – nämlich etwa zwei- bis dreimal – höhere Energiedichte als konventionelle Lithium-Ionen-Batterien. Das Problem: Beim Laden und Entladen zeigten einige Varianten starke Alterungserscheinungen. Die Zyklenfestigkeit, also die Lebensdauer des Akkus, leide darunter. Die nötige Stabilität sicherzustellen sei die große Herausforderung für die Wissenschaft. "Hier sind aber Schritte in die richtige Richtung vorstellbar", so Wilkening.

Feststoffbatterien

Der Experte sieht für Feststoffbatterien eine solide Zukunft. Zu diesen gehören auch Festkörper-Schwefelbatterien – diese nutzen beispielsweise keramische Elektrolyte, können somit viel höheren Temperaturen widerstehen und sind daher auch sicherer. Batterieunternehmen arbeiten "fieberhaft" an diesen Technologien. Wilkening rechnet damit, dass die ersten Festkörperbatterien "in den nächsten fünf bis zehn Jahren" Einzug halten werden.

Blick in Zukunft

Genauere Vorhersagen sind aufgrund der langen Vorlaufzeit in der Entwicklung schwierig. Die einzelnen Komponenten einer Batterie greifen ineinander und beeinflussen die Gesamtleistungsfähigkeit. "Wenn ich ein wunderbares Kathodenmaterial habe, brauche ich dafür kompatible Elektrolyte, welche zum Beispiel über einen großen Spannungsbereich stabil sind."

Man darf sich keiner Illusion hingeben: Die hochoptimierte Lithium-Ionen-Batterie wird noch viele Jahre den Ton angeben, vor allem bei Elektroautos, der Königsdisziplin der Batterieforschung. Auch wird der Sicherheitsaspekt zunehmend bedeutender als das Wettrennen nach Leistungsstärke. Wenn ein Elektroauto in Flammen aufgehe, so Wilkening, bringe es ja wenig, dass es hundert Kilometer weiter hätte fahren können. Außerdem: "Wo will ich denn hin mit dem Auto?", fragt der Experte. Der Mehrheit reiche es doch, mittlere Distanzen zurückzulegen. Ein praktikabler Sättigungswert sei mit den jetzt verfügbaren Systemen bald erreicht. (Andreas Gstaltmeyr, 20.11.2019)