Anmerkung der Redaktion: Elektrotechnik ist die Zukunft unserer Erde, und Batterietechnologie ist ihre Grundlage und der Schlüssel zur Begrenzung ihrer großflächigen Entwicklung. Derzeit dominieren Lithium-Ionen-Batterien, die sich durch hohe Energiedichte und Effizienz auszeichnen. Lithium ist jedoch ein seltenes Element mit hohen Kosten und begrenzten Ressourcen. Gleichzeitig reicht die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien angesichts des zunehmenden Einsatzes erneuerbarer Energien nicht mehr aus. Wie lässt sich darauf reagieren? Mayank Jain hat einige Batterietechnologien untersucht, die in Zukunft zum Einsatz kommen könnten. Der Originalartikel erschien auf Medium unter dem Titel: Die Zukunft der Batterietechnologie
Die Erde ist voller Energie, und wir setzen alles daran, diese Energie zu gewinnen und sinnvoll zu nutzen. Obwohl wir beim Übergang zu erneuerbaren Energien Fortschritte erzielt haben, sind wir bei der Energiespeicherung noch nicht so weit gekommen.
Lithium-Ionen-Akkus gelten derzeit als der höchste Standard in der Batterietechnologie. Sie weisen die beste Energiedichte, einen hohen Wirkungsgrad (ca. 99 %) und eine lange Lebensdauer auf.
Was ist also das Problem? Da die Menge an erneuerbarer Energie, die wir gewinnen, immer weiter zunimmt, ist die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien nicht mehr ausreichend.
Da wir Batterien weiterhin in Serienproduktion herstellen können, scheint dies kein großes Problem zu sein. Allerdings ist Lithium ein relativ seltenes Metall und daher teuer. Obwohl die Produktionskosten für Batterien sinken, steigt der Bedarf an Energiespeichern rasant an.
Wir haben einen Punkt erreicht, an dem die Lithium-Ionen-Batterie, sobald sie hergestellt ist, einen enormen Einfluss auf die Energiewirtschaft haben wird.
Die höhere Energiedichte fossiler Brennstoffe ist eine Tatsache und ein entscheidender Faktor, der den Übergang zu einer vollständigen Abhängigkeit von erneuerbaren Energien behindert. Wir benötigen Batterien, die mehr Energie abgeben als unser Körpergewicht.
Wie Lithium-Ionen-Batterien funktionieren
Die Funktionsweise von Lithiumbatterien ähnelt der von herkömmlichen AA- oder AAA-Batterien. Sie besitzen Anoden- und Kathodenanschlüsse sowie einen dazwischenliegenden Elektrolyten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien ist die Entladereaktion in einer Lithium-Ionen-Batterie reversibel, sodass die Batterie wiederholt aufgeladen werden kann.
Die Kathode (+) besteht aus Lithiumeisenphosphat, die Anode (-) aus Graphit, und Graphit besteht aus Kohlenstoff. Elektrizität ist nichts anderes als der Fluss von Elektronen. Diese Batterien erzeugen Strom, indem Lithiumionen zwischen Anode und Kathode wandern.
Im geladenen Zustand wandern die Ionen zur Anode, im entladenen Zustand wandern sie zur Kathode.
Diese Bewegung von Ionen bewirkt die Bewegung von Elektronen im Stromkreis, daher besteht ein Zusammenhang zwischen der Bewegung von Lithiumionen und der Bewegung von Elektronen.
Siliziumanodenbatterie
Viele große Automobilhersteller wie BMW investieren in die Entwicklung von Siliziumanodenbatterien. Wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden auch diese Batterien Lithiumanoden, jedoch anstelle von kohlenstoffbasierten Anoden Silizium.
Silizium ist als Anodenmaterial besser als Graphit, da es vier Kohlenstoffatome benötigt, um Lithium zu binden, während ein Siliziumatom vier Lithiumionen aufnehmen kann. Dies ist eine bedeutende Verbesserung und macht Silizium dreimal so stark wie Graphit.
Dennoch bleibt die Verwendung von Lithium ein zweischneidiges Schwert. Das Material ist nach wie vor teuer, gleichzeitig lässt sich die Produktion aber leichter auf Siliziumzellen umstellen. Sollten die Batterien jedoch völlig anders sein, müsste die Fabrik komplett neu konzipiert werden, was die Attraktivität eines Wechsels etwas mindert.
Siliziumanoden werden durch die Aufbereitung von Sand zu reinem Silizium hergestellt. Das größte Problem für die Forschung besteht jedoch darin, dass die Siliziumanoden im Gebrauch aufquellen. Dies kann zu einer zu schnellen Leistungsverschlechterung der Batterie führen. Zudem ist die Massenproduktion von Anoden schwierig.
Graphenbatterie
Graphen ist eine Art Kohlenstoffplättchen, das aus dem gleichen Material wie ein Bleistift besteht. Allerdings ist die Anbindung von Graphit an die Plättchen sehr zeitaufwendig. Graphen wird für seine hervorragenden Eigenschaften in vielen Anwendungsbereichen gelobt, darunter auch Batterien.
Einige Unternehmen arbeiten an Graphenbatterien, die sich innerhalb weniger Minuten vollständig aufladen lassen und 33-mal schneller entladen als Lithium-Ionen-Batterien. Dies ist von großem Vorteil für Elektrofahrzeuge.
Schaumstoffbatterie
Herkömmliche Batterien sind derzeit zweidimensional. Sie sind entweder wie eine Lithiumbatterie gestapelt oder wie eine typische AA- oder Lithium-Ionen-Batterie aufgerollt.
Die Schaumstoffbatterie ist ein neues Konzept, das die Bewegung elektrischer Ladung im dreidimensionalen Raum beinhaltet.
Diese dreidimensionale Struktur kann die Ladezeit verkürzen und die Energiedichte erhöhen – beides äußerst wichtige Eigenschaften der Batterie. Im Vergleich zu den meisten anderen Batterien enthalten Schaumbatterien keine schädlichen flüssigen Elektrolyte.
Schaumbatterien verwenden feste Elektrolyte anstelle von flüssigen Elektrolyten. Dieser Elektrolyt leitet nicht nur Lithiumionen, sondern isoliert auch andere elektronische Bauteile.
Die Anode, die die negative Ladung der Batterie speichert, besteht aus geschäumtem Kupfer und ist mit dem erforderlichen Aktivmaterial beschichtet.
Anschließend wird ein fester Elektrolyt um die Anode herum aufgebracht.
Zum Schluss wird eine sogenannte „Positivpaste“ verwendet, um die Lücken im Inneren der Batterie zu füllen.
Aluminiumoxidbatterie
Diese Batterien weisen eine der höchsten Energiedichten aller Batterien auf. Sie sind leistungsstärker und leichter als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Manche behaupten, diese Batterien könnten Elektrofahrzeugen eine Reichweite von 2.000 Kilometern ermöglichen. Was steckt hinter dieser Behauptung? Zum Vergleich: Die maximale Reichweite eines Tesla beträgt etwa 600 Kilometer.
Das Problem dieser Batterien besteht darin, dass sie nicht aufgeladen werden können. Sie produzieren Aluminiumhydroxid und setzen Energie durch die Reaktion von Aluminium und Sauerstoff in einem wässrigen Elektrolyten frei. Bei der Verwendung dieser Batterien wird Aluminium als Anode verbraucht.
Natriumbatterie
Derzeit arbeiten japanische Wissenschaftler an der Herstellung von Batterien, die Natrium anstelle von Lithium verwenden.
Dies wäre einschneidend, da Natriumbatterien theoretisch siebenmal effizienter sind als Lithiumbatterien. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass Natrium im Vergleich zu Lithium, einem seltenen Element, das sechst häufigste Element in den Erdreserven ist.
Veröffentlichungsdatum: 02.12.2019