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Mittwoch, 16.08.2017

Sicherheit und Energiedichte: Zwei wesentliche Aspekte von Batterien der Zukunft

Die Energieversorgung ist elementar für das Funktionieren unseres Alltags - kaum ein Produkt oder eine Maschine, die nicht zumindest teilweise auf einen elektrischen Antrieb angewiesen sind.

Viele von ihnen werden mit Akkus oder Batterien betrieben. Doch hier stoßen Entwickler an ihre Grenzen. Das Problem: Eine möglichst hohe Energiedichte in kompakter Größe zu schaffen, die sicherheitstechnisch allen relevanten Vorgaben entspricht. Eine Batterie also, die problemlos im Alltag verwendet werden kann. Im Fokus der Forschung stehen neue Technologien, die das Potenzial aufweisen, noch bessere Batterien zu entwickeln.

Welche Technologien werden erforscht?

Es gibt eine Vielzahl an Batterietypen auf dem Markt, die je nach Verwendung so ihre Vor- und Nachteile besitzen. Eine Übersicht der verschiedenen Anwendungsgebiete und Batterietypen kann dabei helfen, die passende Energiequelle in Abhängigkeit zum Energiebedarf einer bestimmten Anwendung sinnvoll auszuwählen.

Beispielsweise sind Lithium-Ionen-Batterien, die aufgrund ihrer Energiekapazität vielfach in Tablets, Smartphones und Co. verwendet werden, ideal für eine netzunabhängige Stromversorgung. Denn Lithium besitzt das größte elektrochemische Potenzial aller Metalle (3,04 V) im Vergleich zur Standardwasserstoffelektrode. Je nach Kathodenmaterial lassen sich sehr hohe Zellspannungen realisieren, bei einer gleichzeitig hohen elektrischen Kapazität. Wenn von einer „Lithium-Batterie“ die Rede ist, können damit grundsätzlich diverse Batteriesysteme gemeint sein. Ihre Gemeinsamkeit: Lithium ist in Reinform oder aber als gebundener Stoff als Aktivmaterial gegeben, sodass Lithium-Sekundärbatterien, die sogenannten Li-Ionen-Akkus, als wiederaufladbare Varianten in vielen Alltagsgegenständen stecken.

Stark im Fokus der Wissenschaftler stehen jedoch Lithium-Schwefel-Batterien, oder auch Lithium-Schwefel-Akkus. Schwefel dient dabei innerhalb der Kathode als Komposit mit dem Kohlenstoff, während Lithium-Metall in Form eines Folienauftrags oder einer Beschichtung für die Anode verwendet wird. Durch dieses Zusammenwirken wird eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit gewährleistet, zudem kann eine hohe Kathoden-Kapazität durch einen effizient nutzbaren Schwefelanteil geschaffen werden. Gegenüber handelsüblichen Lithium-Ionen-Akkus lässt sich die Energiedichte damit teilweise verdoppeln.

Ebenso diskutieren Experten das Potenzial einer Batterie auf Zuckerbasis, die im Rahmen einer Forschungsarbeit am Virginia Tech College entwickelt wurde. Die Energiedichte, die nach entsprechenden Angaben bei etwa dem Doppelten herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus liegt, basiert auf der Energiegewinnung auf Basis von Maltodextrin. Was das Ganze interessant macht, ist die Tatsache, dass Lithium, Blei oder Quecksilber in ihr nicht vorkommen, sondern Wasser den Hauptabfallstoff bildet. Inwiefern diese Technologie zur Marktreife gebracht werden kann, wird sich in naher Zukunft zeigen.

Das Ziel jeder Anstrengung: Die Superbatterie

Zwischen all dem, was Vertreter verschiedenster Fachrichtungen im Rahmen der Produktentwicklung unternehmen, lässt sich stets ein alles überragender Wunsch ausmachen: Die Superbatterie. Diese soll Merkmale verknüpfen, die sicherheitstechnisch und wirtschaftlich für Privatanwender sowie Unternehmen gleichermaßen von Belang sind. Zum einen soll sie eine sehr hohe Leistungskapazität aufweisen, nicht brennbare Stoffe enthalten und über einen längeren Zeitraum einsetzbar sein, zum anderen aber auch wirtschaftlich vertretbar implementiert werden können. Ein Schritt in die richtige Richtung ist Forschern der University of Texas gelungen, die eine Batterie entwickelt haben, bei welcher das Elektrolyt aus Glas besteht. Anders als in herkömmlichen Batterien, wo dieses in flüssiger Form vorliegt, lässt sich hierdurch der Ionen-Transport zwischen Plus- und Minuspol stabilisieren und somit das Risiko von Kurzschlüssen deutlich minimieren.

Ein weiterer Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass im Laufe des Gebrauchs keine Ablagerungen an den Elektroden entstehen, die gemeinhin die typische Lebensdauer einschränken würden. Eine längere Nutzungsdauer wirkt sich im Umkehrschluss wieder positiv auf das Preis-/Leistungsverhältnis aus und ermöglicht zumindest theoretisch den Einsatz auch in Produkten und Maschinen des täglichen Bedarfs. Anstelle von Lithium, das in der Produktion mit hohem Ressourcenaufwand und Kosteneinsatz verbunden ist, kommt Natrium zum Einsatz. Dieses lässt sich wesentlich einfacher aus Meerwasser gewinnen, sodass die Kapazitäten gegeben sind, den Bedarf an eigenständigen Energieträgern zu befriedigen.

Welche Technologie wird sich durchsetzen?

Diese Frage lässt sich nicht ganz einfach und eindeutig beantworten, denn dazu gilt es weitere Aspekte zu berücksichtigen. Einerseits sind Sicherheitsaspekte ein zentrales Merkmal, um eine Technologie auch zur Marktreife zu bringen. Im Gedächtnis verhaftet bleibt sicherlich die Aufregung um sich selbst entzündende Akkus im Samsung Galaxy Note 7. Der Hersteller hat über mehrere Monate die Unfallursachen ergründet und dafür unter anderem den TÜV Rheinland als unabhängiges Analyseunternehmen beauftragt. Kurz gesagt führten defekte Energiebündel sowie unangemessen klein konstruierte Hüllen zu einer Überhitzung der betroffenen Geräte.

Diese Vorfälle zeigen, dass umfangreiche Tests weiterhin unablässig sind und es viel eher auf die Frage nach dem konkreten Verwendungszweck ankommen wird. Insbesondere die Lithium-Schwefel-Batterien versprechen ein tragfähiges Ineinandergreifen wichtiger Faktoren, um Batterien bedarfsgerecht und absolut sicher für den jeweiligen Zweck zu konstruieren. Batterien sollten konkret in Bezug auf den jeweiligen Anwendungszweck ausgewählt werden. Nur so lässt sich die Lebensdauer erhalten und mögliche Leistungseinbußen durch falsch dimensionierte Akkus vermeiden.

Automobilindustrie treibt neue Batterietechnologie voran

Ein entscheidender Antrieb in der Erforschung und Erprobung neuer Batterietechnologien kommt durch die Automobilindustrie. Elektrisch betriebene Fahrzeugen müssen hinsichtlich des Verbrauchs, der Leistungskennzahlen und bestimmten Sicherheitsaspekten mit herkömmlichen Fahrzeugen vergleichbar sein, um am Markt vertrieben werden zu können. E-Autos können mit einer entsprechenden Energiedichte schon bald Entfernungen zurücklegen, die deutlich über dem heutigen Standard liegen.

Eine kommerzielle Verwertung ist dann deutlich wahrscheinlicher, weil sich Entwicklungskosten refinanzieren und produktionstechnische Verfahren entwickelt werden können, die sich problemlos auch im kleineren Maßstab einsetzen lassen.

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