Die Suche nach neuen Materialien für Akkus, die den volatil erzeugten Solar- und Windstrom zwischenspeichern und damit eine Stütze des Energiesystems der Zukunft sind, gestaltet sich vielschichtig, aber auch schwierig. Es gibt viele Konzepte. Die meisten drehen sich darum, das Lithium in den Akkus durch preiswertere und sicherere Materialien zu ersetzen. Denn Lithium-Ionen-Batterien bergen einige Risiken und müssen mit Sorgfalt behandelt werden, damit sie nicht thermisch durchgehen und anfangen zu brennen. Zudem ist Lithium zwar in der Erdhülle eines der häufigsten Elemente. Der Abbau ist sich aber nur in einigen Regionen der Erde bisher wirtschaftlich.
Deshalb ist die Suche nach Alternativen durchaus von Bedeutung. Denn der Lithiumakku hat sich bewährt. Die Geräte werden preiswerter, sie sind einfach zu installieren, können Leistung und Kapazität an die konkreten Anforderungen angepasst werden und haben noch zwei entscheidende Vorteile. Zum einen ist der lithoium-Ionen-Akku schwarzstartfähig. Das heißt, er kann das Stromnetz nach einen Ausfall wieder aufbauen, ohne vorher initial mit Energie versorgt werden zu müssen. Zum anderen kann er schnell von der Lade- in die Entladefunktion umschalten und damit das Netz optimal stützen. Das schafft zwar ein Superkondensator auch, allerdings nur über einen sehr kurzen Zeitraum. Die Redoxflow-Technologie wiederum ist langsamer als der Lithium-Ionen-Akku und damit für andere Aufgaben wie die längerfristige Speicherung größerer Strommengen besser geeignet.
Feststoffelektrolyte können Lösung sein
Als Netzstabilisator hat sich das Konzept des Lithium-Ionen-Akkus bewährt. Von diesem Grundkonzept der beiden Elektroden, die von Elektrolyten umspült werden, in denen die Ladungsträger gut beweglich hin- und herwandern, werden deshalb auch die neuen Konzepte kaum abweichen. Doch die Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) in Dübendorf im schweizerischen Kanton Zürich suchen nach einem Ersatz für das Lithium und haben dabei Natrium und Magnesium als neue Materialien neuer und reiner Feststoffelektrolyte für Batterien identifiziert. Das hat den Vorteil, dass diese nicht mehr brennbar sind und somit auch kein Risiko mehr darstellen. Nach Angaben der Forscher ist das Elektrolyt, das sie entwickelt haben, auch bei einer Temperatur von bis zu 300 Grad chemisch stabil, was in besonders sicher macht.
Jetzt werden die Schweizer Forscher eine Speicherzelle mit solchen Feststoffelektrolyten aus Natrium und Magnesium entwickeln. Die Herausforderung dabei ist, dass sich die Elektronen im flüssigen Elektrolyt gut bewegen können, wodurch die Batterie schnell auf Änderungen der Anforderungen reagieren kann. Dies müssen die Forscher im Feststoff ebenso bewerkstelligen. „Dieser Aspekt ist von zentraler Bedeutung: Ionen brauchen Wärme, um wandern zu können“, erklären die Forscher um Arndt Remhof, der die Forschungsarbeiten am EMPA leitet. „Diese Reaktion bereits bei Raumtemperatur auszulösen, ist eine enorme technische Herausforderung.“ Um diese zu lösen, haben sie beim Ersetzen des Lithiums durch Natrium und Magnesium die Kristallstruktur des festen Elektrolyten vollständig verändert und auf neue Verbindungen und Herstellungsverfahren zurückgegriffen. Jetzt sind die Ionen bereits bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius beweglich.
Natrium ist preiswert und leicht verfügbar
Jedoch muss sie noch zwei entscheidende Hürden überwinden. Zum einen muss sie aus dem Labor heraus in die Produktion überführt werden. Zum anderen muss sie in der Wirtschaftlichkeit die Lithium-Ionen-Akkus einholen und am besten noch übertreffen. Schließlich ist der Preis derzeit das stärkte Argument, an denen sich eine potenzieller Käufer von Speicherbatterien neben den technischen Details orientiert. Die Sicherheit spielt fatalerweise kaum eine Rolle.
Einen Schritt in die richtige Richtung hat das neue Batteriekonzept schon getan. Denn Natrium ist im Vergleich zum Lithium unschlagbar preiswert. „Als eine der beiden Komponenten von Kochsalz ist Natrium – im Gegensatz zu Lithium – nahezu unbegrenzt verfügbar“, betonen die Forscher. „Die Verfügbarkeit ist unser stichhaltigstes Argument“», ergänzt Léo Duchêne der als Erstautor das Konzept der Empa-Forscher vorgestellt hat.
Unterschiedliche Speicherdichte möglich
Ein Nachteil der neuen Batterie steht schon fest: Die Batterie mit Natriumelektrolyt wird größer sein als die bisherigen Lithium-Akkus. Denn Natrium speichert bei gleichem Gewicht weniger Energie als Lithium, erklären die Schweizer Forscher. Damit werden solche Batterien kaum für den Einsatz in der Elektromobilität in Frage kommen. Im Keller eines Gebäudes oder in einem separaten Gebäude neben einem Solarpark, wo die Größe nicht die entscheidende Rolle spielen muss, kann sie den Lithium-Ionen-Akku aber durchaus ersetzen. In solchen stationären Anwendungen sehen die Forscher auch die potenzielle Einsatzmöglichkeit ihrer neuen Batterie.
Magnesium als zweite Alternative, die die Wissenschaftler als Ersatz zum Lithium untersuchen, hat dieses Problem nicht. Es ist zwar nicht so üppig vorhanden, aber immer noch in ausreichend großen Mengen verfügbar. Aber dafür ist ein Magnesiumion zweifach positiv geladen, ein Lithiumion hingegen nur einfach positiv. „In der Praxis bedeutet das, dass Magnesium bei gleichem Volumen fast doppelt so viel Energiemenge speichern kann. Zudem ist Magnesium leicht und der Akku kann nicht explodieren.
Erste Testzellen entwickelt
Allerdings ist Magnesium komplexer und es ist schwieriger, die Ionen in Bewegung zu versetzen. Anderen Forschern ist dies schon mit einigen der getesteten Elektrolyte gelungen. Jedoch erst bei Temperaturen über 400 Grad. Das Elektrolyt der Schweizer Forschenden erreicht eine vergleichbare Leitfähigkeit bereits bei 70 Grad. „Bei dieser Pionierarbeit geht es um den Machbarkeitsnachweis“, betont die Versuchsleiterin Elsa Roedern von der Empa. „Von einem kompletten, funktionstüchtigen Prototypen sind wir noch weit entfernt, aber wir haben einen ersten, wichtigen Schritt in die richtige Richtung gemacht.“
Damit müssen die Konzepte noch einen weiten weg aus dem Labor in die Serienproduktion zurücklegen und werden in nächste Zeit kaum die Lithium-Ionen-Akkus ersetzen können. Immerhin haben die Schweizer Forscher schon die ersten Testzellen entwickelt und damit gezeigt, dass sie gut funktionieren und mittelfristig eine echte Alternative zum Lithium-Akku werden können. (Sven Ullrich)
