Grenzenlose Vielfalt

Energiespeicherkonzepte für die Zukunft

5. September 2019 Die "Post-Lithium-Technologie"

Auch wenn es noch keine konkurrenzfähige Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie gibt, so ist das Ende der Ära abzusehen, denn: Das neue Exzellenzcluster „Energiespeicherung jenseits von Lithium“ kümmert sich um neue Speicherkonzepte für die Zukunft. Und diese scheinen kurz vor dem Durchbruch.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Energiespeicherung jenseits von Lithium – neue Speicherkonzepte für eine nachhaltige Zukunft“ wollen eine fundamentale Wissensbasis für die Batterien der Zukunft generieren.

Der Marktführer wird den weltweit kontinuierlich wachsenden Energiebedarf langfristig nicht mehr decken können. „Die Technologie ist so ausgereift, dass sie nur noch wenig Optimierungspotenzial bietet“, sagt Maximilian Fichtner, Direktor am Batterieforschungszentrum Helmholtz-Institut Ulm (HIU) und Sprecher des Clusters. „Und die benötigten Rohstoffe Lithium und Kobalt werden irgendwann knapp und damit teurer.“ Eine Wiederaufarbeitung der Metalle fände im Fall von Kobalt kaum und bei Lithium ohnehin gar nicht statt. Hinzu kommt, dass Kobalt zu einem großen Teil durch Kinderarbeit gewonnen wird. Ziel des gemeinsamen Clusters vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Ulm sind deshalb kobaltfreie und ungiftige Nachfolgesysteme. Bereits im Vorfeld der Clusterentscheidung hatten die beiden Standorte beschlossen, enger auf dem Gebiet der elektrochemischen Speicherung zu kooperieren: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben mit dem Center for Electrochemical Energy Storage (CELEST) einen der weltweit größten Forschungsverbünde für Energiespeicherung gegründet, der auch den Rahmen für den neuen Cluster bildet. „Damit bündeln wir die gesamte Batterieforschung der beiden Standorte“, so Fichtner.

Elemente mit weltweit großem Vorkommen im Fokus der Forscher

Unterschiedliche Ideen, Konzepte und konkrete Alternativen für die „Post-Lithium-Technologie“ existieren bereits. Technisch am weitesten fortgeschritten sind die Natrium-Ionen-Batterien. Natrium ist als Rohstoff im Meerwasser oder in Salzstöcken ausreichend vorhanden und ungiftig: „Es ist ein technisch stabiles System mit hohem Wirkungsgrad, das sich für stationäre Speicher wie Windkraft-und Solaranlagen eignet“, sagt Fichtner. Für Autos hingegen kommt diese Technologie derzeit nicht infrage, da Natrium-Ionen-Batterien noch zu groß und zu schwer sind. Insofern interessieren sich die Forscherinnen und Forscher von „Energiespeicherung jenseits von Lithium“ auch für andere Systeme mit Magnesium, Aluminium, Kalzium und Chlorid – also mit jenen Elementen, die zu den häufigsten in der Erdkruste zählen und dabei weder besonders giftig noch gefährlich sind. Bei ihrer Suche nach neuen Speicherkonzepten für die Zukunft gehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Elektrochemie, Materialwissenschaften, theoretischer Modellierung und Ingenieurwissenschaften auch erfolgreich unkonventionelle Wege.

So setzen sie beispielsweise Bioabfälle als Rohstoffe für organische Elektroden ein. Ein vielversprechender Kandidat sind Erdnussschalen. „Beim Natrium-Ionen-Akku benötigt man am Minuspol eine besondere Mikrostruktur des Kohlenstoffs, in die sich Natrium-Ionen einlagern“, erklärt der Batterieforscher. Diese Mikrostruktur mit Poren und Hohlräumen lässt sich aus den Erdnussschalenresten gewinnen oder auch aus Äpfeln: neuartige Ansätze, die eines Tages die Grundlage für die nächste Batteriegeneration bilden könnten. „Und darum geht es“, so Fichtner, „wir wollen innerhalb des Clusters eine fundamentale Wissensbasis für die Batterien der Zukunft generieren und ein chemieübergreifendes Verständnis erarbeiten, wie solche neuartigen Systeme funktionieren.“