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Die Akkus der Zukunft

Jürgen Wendler 18.10.2018 0 Kommentare

Batterieforschung an der Jacobs University Bremen: Axel Haupt, ein Mitarbeiter von Chemieprofessor Gerd-Volker Röschenthaler, bei der Arbeit im Labor.
Batterieforschung an der Jacobs University Bremen: Axel Haupt, ein Mitarbeiter von Chemieprofessor Gerd-Volker Röschenthaler, bei der Arbeit im Labor. (Christian Kosak)

Beim Aufladen von Akkus wird elektrische in chemische Energie umgewandelt. Um einen Verbraucher mit Strom zu versorgen, wird aus der chemischen Energie wieder elektrische. Zu einem großen Thema sind die Akkumulatoren nicht zuletzt wegen der Bestrebungen geworden, Autos mit Verbrennungsmotoren durch Elektroautos zu ersetzen. Für solche Fahrzeuge werden bislang Lithium-Ionen-Akkus genutzt, ein Batterietyp, der erstmals Anfang der 1990er-Jahre für Videokameras verwendet wurde. Ein Nachteil von Elektroautos besteht nach wie vor in der vergleichsweise geringen Reichweite. Oft genügt die Akkuladung nur, um wenige Hundert Kilometer zurückzulegen. Auch deshalb versuchen Forscher, Alternativen zu entwickeln.

Dass es sich bei der Batterieforschung um ein weites Feld handelt, zeigt der Blick in die Geschichte. Um Autos mit Verbrennungsmotor zu starten, werden noch immer Bleiakkus verwendet, deren Anfänge bis ins 19. Jahrhundert zurückreichen. Der deutsche Arzt und Naturforscher Wilhelm Josef Sinsteden konstruierte 1854 einen Bleiakku, mit dem sich Funken erzeugen ließen. Wie andere Batterien besitzen Bleiakkus zwei Anschlüsse (Elektroden): einen Plus- und einen Minuspol. Verbunden sind sie im Innern der Batterie über einen Elektrolyten, eine Lösung, die elektrischen Strom leiten kann. In einem aufgeladenen Bleiakku baut der aus reinem Blei bestehende Minuspol im Elektrolyten – bei der Autobatterie handelt es sich um verdünnte Schwefelsäure – eine negative Ladung auf. Bei ihm herrscht ein Elektronenüberschuss. Der Pluspol, bei dem es einen Elektronenmangel gibt, ist mit Bleioxid umhüllt; dies gewährleistet eine hohe Elektronenaufnahme. Dreht man den Zündschlüssel herum und bringt so mit dem Anlasser einen Verbraucher ins Spiel, schickt der Minuspol über ein Anschlusskabel Elektronen beziehungsweise elektrischen Strom zum Pluspol. Auf dem Weg dorthin leisten die Elektronen im Anlasser die gewünschte Arbeit.

Verbrennungsmotoren haben höhere Reichweite

Elektroautos gibt es etwa genauso lange wie Benzinfahrzeuge. Als Carl Benz und Gottlieb Daimler in den 1880er-Jahren die ersten Automobile mit Verbrennungsmotor präsentierten, waren in Paris bereits elektrisch betriebene Wagen unterwegs. Der französische Erfinder Gustave Trouvé nutzte für sein 1881 vorgestelltes Elektrofahrzeug Bleiakkus. Verbrennungsmotoren setzten sich erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts durch, als die Ansprüche stiegen. Ihre Reichweite war höher als die von Elektrofahrzeugen mit ihren schweren Akkus, die zudem lange aufgeladen werden mussten.

Bleiakkus können den Motor zwar starten, liefern aber nicht so viel Energie, dass moderne Fahrzeuge damit fahren könnten. Lithium-­Ionen-Akkus weisen nicht nur eine hohe Energiedichte auf, sondern sind auch vergleichsweise leicht. Lithium ist das leichteste Metall und zeichnet sich dadurch aus, dass sich mit ihm eine höhere elektrische Spannung aufbauen lässt als mit anderen Materialien. Wenn ein elektrischer Strom entsteht, bedeutet das, dass elektrische Ladungsträger bewegt werden, also beispielsweise die elektrisch negativ geladenen Elektronen in einem Leiter. Den Ausdruck Ion verwenden Fachleute für elektrisch geladene Teilchen. In Lithium-Ionen-­Akkus dienen positiv geladene Lithiumteilchen als bewegte Ladungsträger. Sie können durch einen flüssigen Elektrolyten von Pol zu Pol wandern. Die beiden Pole bestehen aus Materialien, die in der Lage sind, die Lithium-Ionen aufzunehmen. Als Speichermaterialien werden bei solchen Akkus unter anderem aus Kohlenstoff bestehendes Grafit und chemische Verbindungen mit Lithium verwendet.

Jürgen Wendler ist Redakteur des WESERKURIER, betreut die Seite Bildung & Wissen – und schätzt die Grundlagenforschung.
Jürgen Wendler ist Redakteur des WESERKURIER, betreut die Seite Bildung & Wissen – und schätzt die Grundlagenforschung. (Volker Crone)

Zu den Nachteilen von Lithium-Ionen-Akkus gehört, dass sich der Elektrolyt unter dem Einfluss großer Hitze entzünden kann. Als sicherer gelten sogenannte Festkörperbatterien, mit denen nicht zuletzt Automobilhersteller große Hoffnungen verbinden. Im Gegensatz zu den Lithium-Ionen-Akkus enthalten sie keine flüssigen, brennbaren Elektrolyten. Zu ihren Schwachpunkten gehört bislang die geringe Stromstärke. Die Folge: Das Laden dauert vergleichsweise lange. Einen möglichen Weg, um größere Stromstärken und kürzere Ladezeiten zu erreichen, haben kürzlich Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich vorgestellt. Bei ihrer Festkörperbatterie bestehen die Elektroden und der Elektrolyt aus verschiedenen Phosphatverbindungen. Damit erreichen die Experten, dass kein großer Übergangswiderstand zwischen den Bestandteilen auftritt. Salopp ausgedrückt: Der Strom kann gut fließen. Die Energiedichte liegt nach Darstellung der Wissenschaftler allerdings noch etwas unter der von heute gebräuchlichen Lithium-­Ionen-Akkus.

Wie intensiv nach neuen Batteriekonzepten gesucht wird, zeigt sich auch beim Blick auf die Bremer Forschungslandschaft. So beschäftigt sich der Chemieprofessor Gerd-Volker ­Röschenthaler, der Jahrzehnte an der Universität Bremen tätig war, ehe er 2009 an die Jacobs University wechselte, seit Langem mit der Frage, wie sich Lithiumbatterien verbessern lassen. Mit Experten anderer Forschungseinrichtungen sucht er im Rahmen eines groß angelegten Projekts nach Wegen, die Energiedichte zu erhöhen und damit zum Beispiel Elektroautos zu einer größeren Reichweite zu verhelfen.

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Dabei setzt der Chemiker bei den Elektroden an, genauer: bei der Kathode. Bei den bislang verwendeten Materialien, zum Beispiel Kobalt und Nickel, handelt es sich um Metalle. Röschenthaler setzt hingegen auf Materialien aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Fluor. Hiervon erhofft er sich neben technischen Verbesserungen auch geringere Kosten. Fluor ist ein Element, das in der Natur gebunden in Form von Salzen, sogenannten Fluoriden, vorkommt. Auch im menschlichen Körper sind Fluoride zu finden. Sie tragen zur Härtung von Zähnen und Knochen bei. Die große wirtschaftliche Bedeutung von Fluor lässt sich unter anderem daran ablesen, dass es in Teflonbeschichtungen ebenso enthalten ist wie in Zahnpasta, Medikamenten und LCD-Monitoren. Laut Röschenthaler können Fluorverbindungen dazu beitragen, dass Batterien auch in höheren und niedrigeren Temperaturbereichen die gewünschte Leistung bringen.

Am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (Ifam) sowie an der Universität Bremen wird ebenfalls an Batteriesystemen geforscht. Professor Fabio La Mantia hat dafür eine hoch dotierte persönliche Auszeichnung des Europäischen Forschungsrats erhalten. Er betreibt Grundlagenforschung, um die Ladungsübertragung an Grenzflächen besser zu verstehen. Hinter seinen Arbeiten steht unter anderem das Ziel, Batterien mit einer höheren Lebensdauer für stationäre industrielle Anwendungen zu entwickeln.

Bedeutender Forschungszweig

Die große Bedeutung, die der Batterieforschung in Deutschland beigemessen wird, lässt sich auch daran ablesen, dass eine Vielzahl von anwendungsorientierten Fraunhofer-Instituten auf diesem Gebiet aktiv ist. Dabei rechnet die Fraunhofer-Gesellschaft nach eigenen Angaben nicht mit spektakulären neuen Erfindungen oder wissenschaftlichen Durchbrüchen. Vielmehr gelte es, schrittweise Verbesserungen zu erreichen, etwa bei den verwendeten Materialien, beim Aufbau und bei der Fertigung der Akkus. Zu den Hoffnungsträgern gehören die Metall-Luft-Batterien, mit denen sich Mitarbeiter des Ifam befassen.

Die Grundidee für diese Art von Batterien ist alt. Sogenannte Zink-Luft-Batterien, wie sie heute beispielsweise in Hörgeräten zu finden sind, gibt es seit den 1940er-Jahren. Im Unterschied zu anderen Batterien wird bei Metall-Luft-Batterien nur ein Metall benötigt; solche Batterien gelten als vergleichsweise leicht und preisgünstig. Der Sauerstoff, der für die elektrochemische Reaktion erforderlich ist, wird über eine Elektrode aus der Umgebungsluft gewonnen. Die Fraunhofer-Forscher arbeiten daran, das Konzept der Metall-Luft-Batterie mithilfe des Metalls Lithium weiterzuentwickeln. Dabei reagiert das Lithium mit dem Luftsauerstoff. Als große Herausforderung erweist sich für die Forscher bislang die Eindämmung unerwünschter Nebenreaktionen.


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Leserkommentare
theface am 18.10.2019 20:54
Das kann so nicht stimmen, sonst wären SPD und Grüne ja nicht mehr in der Landesregierung.
Opferanode am 18.10.2019 20:48
Ich hatte die gleiche Frage. Aber eine vernünftige Antwort würde mir besser gefallen, als so schulmeisterlich daherzukommen, mit der Aufforderung, ...
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