Zukünftige Batteriesysteme

Unter dem Themenschwerpunkt „Zukünftige Batteriesysteme“ sollen die Potenziale von anderen Metall-Ionen-Systemen als Lithium-Ionen-Batterien sowie Metall-Schwefel- und Metall-Luft- bzw. Metall-Sauerstoff-Systemen ausgeschöpft und industriell zugänglich gemacht werden. In der Theorie versprechen diese alternativen Batteriesysteme vor allem niedrige Kosten und hohe Energiedichten. Sollten sie sich realisieren lassen, haben sie möglicherweise das Potenzial, um mit Lithium-Ionen-Batterien in mobilen und stationären Anwendungen zu konkurrieren. Allerdings zeigen punktuelle Ansätze, insbesondere im Bereich der Metall-Luft- bzw. Metall-Sauerstoff-Systeme, dass noch ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht.

Unter dem Begriff Thermalbatterien werden Batterien zusammengefasst, die bei höheren Temperaturen als Zimmertemperatur betrieben werden. Mit Hilfe einer geeigneten schnellen, pyrotechnischen Aufheizvorrichtung, die in die Batterie eingebaut werden kann, werden kommerziell erhältliche Hochtemperatur-Batterietypen meist in einem Bereich um 300 Grad Celsius gebracht, damit Komponenten wie die Aktivmaterialien der Elektroden oder der Elektrolyt, die bei Zimmertemperatur fest sind, leitfähig werden und/oder schmelzen.

Diese Batterietypen können oft kostengünstig betrieben werden, bieten eine hohe Versorgungssicherheit für die Ausgangsmaterialien, haben hohe Lebensdauern und können effizient arbeiten. Weil sie allerdings bei hohen Temperaturen betrieben werden müssen, ergeben sich Herausforderungen für einen wirtschaftlichen Einsatz. Die Abdichtung des Gehäuses ist aufwändig und die Batterien verlieren Energie in Form von Wärme. Das wirkt sich negativ auf die Energiedichte und Kosten des Systems aus und die Batterien eigenen sich nur für große stationäre Speicher im MWh-Bereich.

Im Rahmen der Förderinitiative Batterie 2020 gibt es verschiedenen Ansätze, um die Betriebstemperaturen solcher Batteriesysteme herabzusetzen und damit die Dämmung zu vereinfachen, geeignetere Separatoren zu finden und die Effizienz solcher Thermalbatterien zu verbessern und die Kosten zu verringern. Solche Mitteltemperatur-Thermalbatterien könnten als kleinere stationäre Speicher – möglicherweise als Heimspeicher – eingesetzt werden, als es mit dem Hochtemperatur-Systemen möglich ist.

Unter dem Begriff nicht thermaler Metall-Schwefel-Batterien werden Metall-Schwefel-Batterien zusammengefasst, die bei Raumtemperatur betrieben werden – im Gegensatz zu thermalen, die erst bei höheren Temperaturen funktionieren. Sie befinden sich noch in der Entwicklung.

Prominenteste Vertreter dieser Batterietypen sind die Lithium-Schwefel-Batterien. Von dieser Technologie sind bereits Prototypen gebaut und erfolgreich eingesetzt worden. Marktreife hat aber bislang kein System erlangt. Sollte dies allerdings passieren, ist mit besonders kostengünstigen Batterien zu rechnen. Denn der eingesetzte Schwefel ist nicht nur reichlich vorhanden, er ist auch ein Abfallprodukt, das bei der Entschwefelung von Erdgas und Erdöl anfällt, was für niedrige Preise sorgt.

Lithium-Schwefel-Batterien, kurz Li-S-Batterien, stellen einen Batterietyp dar, der hohe gravimetrische Energiedichten bei moderaten Kosten verspricht. Bei gleicher Kapazität ist dieser Batterietyp also deutlich kostengünstiger als Lithium-Ionen-Systeme, allerdings auch deutlich größer, da er eine geringere volumetrische Energiedichte besitzt. Es gibt zwar bereits Prototypen, die etwa in einem unbemannten Höhenplattform-Flugzeug erfolgreich getestet wurden. Noch verhindern aber einige Herausforderungen eine erfolgreiche Kommerzialisierung.

Das Kathodenmaterial gängiger Lithium-Ionen-Zellen ist die teuerste Komponente einer Batterie. Es macht mehr als 20 Prozent der Zellkosten aus. Es enthält Cobalt und Nickel. Beides sind eher seltene Rohstoffe, deren Kosten bei einer zunehmenden Massenproduktion von Batterien eher noch steigen als sinken werden. In Lithium-Schwefel-Batterien entfällt diese Kostenposition, wodurch sich potenziell mehr als 20 Prozent der Kosten sparen lassen, denn Schwefel ist sehr preisgünstig und in großen Mengen vorhanden.

Die theoretische gravimetrische Energiedichte ist mit rund 2.500 Wattstunden pro Kilogramm fast zehnmal so groß wie die von gängigen Lithium-Ionen-Batterien. Geht man allerdings davon aus, dass Lithium-Ionen-Batterien in den kommenden 20 Jahren optimal zu höheren gravimetrischen Energiedichten weiterentwickelt werden, und betrachtet man die Lithium-Schwefel-Technologie auf der Systemebene – also inklusive aller zusätzlicher Komponenten, die derzeit für den tatsächlichen Betrieb notwendig sind – können die Vorteile der Li-S-Systeme der gravimetrischen Energiedichte gering sein. Ein Kostenvorteil bliebe jedoch weiterhin bestehen.

Noch ist die Lebensdauer von Li-S-Batterien begrenzt auf weniger als 200 Be-und-Entlade-Zyklen. In Metall-Ionen-Batterien werden die Metall-Ionen beim Laden und Entladen in den Elektroden in Gitterstrukturen ein- und ausgelagert, die sich dabei kaum verändern. In einer Li-S-Batterie wird hingegen die Schwefel-Elektrode bei der Entladung abgebaut und bei der Ladung wieder aufgebaut. Dabei kommt es zu starken morphologischen Veränderungen, die es in Griff zu bekommen gilt. Auch mit unerwünschten Nebenreaktionen hat dieser Batterietyp noch zu kämpfen.

In der Theorie sind Magnesium-Schwefel-(Mg-S-)Batterien sichere und äußerst kostengünstige Batterien, die bei gleicher Kapazität nur wenig schwerer sind als Lithium-Ionen-Systeme, aber deutlich kleiner. Magnesium und Schwefel kommen häufig in der Natur vor und die Materialkosten könnten im Idealfall nur vier Prozent der Materialkosten von denen für Lithium-Ionen-Batterien betragen. In der Praxis gibt es allerdings noch jede Menge Herausforderungen, welche die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler lösen müssen.

In Metall-Luft-Batterien wird die elektrische Energie aus der chemischen Reaktion von Metallen mit Sauerstoff freigesetzt. Sie nehmen unter den Batterien eine Sonderstellung ein, da einer der beiden Reaktionspartner (in diesem Fall der Sauerstoff) über eine spezielle Elektrode aus der Umgebungsluft gewonnen wird und nicht in der Batterie vorgehalten werden muss. Daher lassen sich mit diesen Systemen zumindest theoretisch deutlich höhere Energiedichten realisieren als mit gängigen Batterietypen.

Es gibt Typen, die bereits eingesetzt werden, wie Zink-Luft-Batterien für Hörgeräte. Diese sind aber nicht wieder aufladbar. Daher wird derzeit weltweit versucht, unterschiedliche sekundäre (also wieder aufladbare) Metall-Luft-Batterien zu entwickeln. Diese unterscheiden sich hinsichtlich des eingesetzten Metalls und damit verbunden auch bezüglich der erreichbaren Energiedichte und vieler anderer Parameter. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die noch sehr geringen Lebensdauern dieser Batterietypen zu erhöhen, bei denen die komplexen chemischen Lade- und Entladevorgänge noch nicht ausreichend verstanden und beherrscht werden. So bedarf es unter anderem noch wesentlich effizienterer und zuverlässigerer Elektroden, an denen der Luftsauerstoff sowohl reduziert als auch wieder freigesetzt werden kann.

Die Luft enthält neben Sauerstoff viele andere Bestandteile, die sich teilweise negativ auf die Lebensdauer der Batterien auswirken. Statt die Luft mit zusätzlicher Technik zu reinigen, kann man der Batterie auch direkt reinen Sauerstoff zuführen – etwa aus Gasflaschen. In diesem Fall spricht man von Metall-Sauerstoff-Batterien.

Besonders an der Realisierung von Lithium-Luft-Batterien wird intensiv geforscht. Da Lithium von allen Metallen das höchste elektrochemische Potential aufweist, bieten diese Batterien von allen Metall-Luft-Systemen die mit Abstand höchste Energiedichte, die man theoretisch erreichen kann. Man hofft, im Vergleich zum Stand der Technik auch in der Praxis etwa zehnfach höhere Energiedichten zu erzielen – also bei gleicher Kapazität zehnmal leichtere Batterien zu realisieren.

Allerdings könnte sich auch herausstellen, dass so viel zusätzliche Technik und Elektronik benötigt wird (etwa zur Reinigung der Luft), dass diese die Batterie so schwer und groß werden lassen, dass die Batterien kaum noch Vorteile zu weiterentwickelten Lithium-Ionen-Batterien haben. Große Herausforderungen liegen derzeit auch darin, eine akzeptable Lebensdauer zu erzielen und die Spannungsverluste beim Laden und Entladen zu reduzieren.

Eisen ist ein Element, das sehr häufig in der Erdkruste vorkommt und in großer Menge gefördert werden kann. Versorgungsengpässe sind deshalb nicht zu erwarten, sondern vielmehr ein Kostenvorteil, der sich direkt auf die Batterie übertragen lässt. In der Theorie könnten Eisen-Luft-Batterien maximale gravimetrische Energiedichten von mehr als 1.200 Wattstunden pro Kilogramm erreichen und sehr kompakt gebaut werden. Mit theoretischen volumetrischen Energiedichten von 9.700 Wattstunden pro Liter könnten diese Energiespeicher bis zu fünfmal kompakter ausfallen als gängige Lithium-Ionen-Batterien.

Der Weg bis zu einer möglichen Marktreife ist allerdings noch weit. Elektroden aus Eisen sind sehr robust und lassen sich im Labor in Halbzellen isoliert schon ohne größere Leistungsverluste über mehrere Tausend Zyklen betreiben. Zudem sind sie unempfindlich gegen Überladung, Teil- und Tiefentladung. Vollständige Eisen-Luft-Batterien mit einer Luft-Elektrode als Gegenpol haben aber noch stark begrenzte Lebensdauern von weniger als 100 Zyklen. Und auch der Wirkungsgrad von weniger als 50 Prozent ist derzeit ein starker Nachteil gegenüber anderen Batterietechnologien. Das liegt zum einen an der Wasserstoffentwicklung an der Eisenelektrode, zum anderen an der hohen Überspannung an der Luft-Elektrode.

Primäre – also nicht wiederaufladbare – Zink-Luft-Batterien sind weltweit als Standardbatterie beispielsweise in Hörgeräten etabliert, da sie kostengünstig, umweltverträglich und vor allem sehr kompakt sind, weil sie den Sauerstoff aus der Umgebungsluft zur Energiegewinnung nutzen. Trotzdem stellt die Entwicklung sekundärer – also wiederaufladbarer – Systeme Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor große Herausforderungen. Das hat vor allem drei Gründe: Die Zinkelektrode verändert beim Be- und Entladen ihre Struktur und ihr Volumen, was die Lebensdauer einschränkt und zur Zerstörung der Batterie führt. Auch die Sauerstoff-Elektrode ist bisher nicht stabil und zudem auch nicht besonders leistungsfähig. Schließlich sind Energie- und Leistungsdichte sowie der Wirkungsgrad für eine praktische Anwendung noch zu niedrig.

Lithium-Metall-Anoden gelten als Schlüsselelement für zukünftige Lithium-basierte Batteriesysteme, da sie die volumen- und massebezogenen Energiedichten signifikant erhöhen können. Aktuell etablierte Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien – wie Graphit – basieren auf einem sogenannten Wirtsgitter, in das Lithium ein- und ausgelagert wird. Bei Lithium-Metall-Anoden wird hingegen auf dieses Gitter verzichtet, sodass Volumen und Gewicht eingespart werden.

In Lithium-Ionen-Primärzellen werden bereits heute Lithium-Metall-Anoden verwendet. In sekundären Batteriezellen ist dies jedoch die Ausnahme, da beim Aufladen der Batterie unerwünschte Prozesse wie das Dendritenwachstum auftreten. Dabei handelt es sich um eine astförmige Abscheidung von Lithium auf der Elektrodenoberfläche, die zu einem Kurzschluss der Batteriezelle führen kann. Damit Lithium-Metall-Anoden in sekundären Batteriezellen etabliert werden können, bedarf es daher Lösungen, um diese Prozesse zu unterbinden – etwa durch spezielle Beschichtungen. Darüber hinaus existieren auch prozesstechnische Herausforderungen. Diese liegen etwa darin, dünne Lithium-Metall-Anoden herzustellen und diese unter Luft- und Wasserausschluss so zu handhaben, dass ungewollte Passivierungsreaktionen vermieden werden.

Lithium-Metall-Anoden können für folgende Zellsysteme relevant sein: Lithium-Ionen-, Lithium-Festelektrolyt-, Lithium-Schwefel- und Lithium-Sauerstoff-Batterien.

Noch dominieren Lithium-Ionen-Batterien den Markt für portable Geräte. Und auch in mobilen und stationären Anwendungen werden sie zunehmend eingesetzt. Künftig könnten allerdings neue Batterien interessant werden, welche nach dem gleichen Prinzip funktionieren, in denen aber statt Lithium andere Metalle zum Einsatz kommen.

In den Elektroden von Metall-Ionen-Batterien werden Materialien verwendet, die Metall-Ionen einlagern können und mit ihnen sogenannte Interkalationsverbindungen eingehen. Dabei werden nicht wie bei den meisten Batterietypen die Metall-Ionen reduziert, sondern das Elektrodenmaterial. Die Metall-Ionen werden als Ionen eingelagert, nicht als chemische Verbindung oder Metall. Deshalb bezeichnet man diese Batterietypen als Metall-Ionen-Batterien.

Für jedes eingelagerte Metall-Ion nimmt das Kathodenmaterial so viele Elektronen auf, wie zum Ladungsausgleich nötig sind. Wie viele Elektronen an die Elektrode abgegeben werden, hängt vom Metall-Ion ab. Lithium etwa ist nur in der Lage ein Elektron abzugeben, Aluminium hingegen kann drei Elektronen abgeben, was für einen dreifachen Ladungstransport pro Metall-Ion sorgt und diese Metall-Ionen sehr attraktiv für neue Batterietypen erscheinen lässt.

Jedes neue Metall-Ion bringt andere Eigenschaften mit sich und verändert damit auch die Eigenschaften der Batterie. Neben Vorteilen bergen die unterschiedlichen Batterietypen aber auch Nachteile. Sie unterscheiden sich bei gleicher Kapazität u. a. in ihrem Gewicht, der Größe, der Verfügbarkeit der Rohstoffe und damit verbundenen Kosten und in vielen anderen Bereichen, die es zu berücksichtigen gilt.

Ein Austausch der bewährten Lithium-Ionen durch andere Metall-Ionen in einem Batteriesystem wirkt sich auf das komplexe Zusammenspiel der einzelnen Zellkomponenten aus. Das hat zur Folge, dass viele Komponenten angepasst werden und teilweise neue Materialien gesucht werden müssen – möglicherweise gänzlich andere Gesamtsysteme. Mit der Förderinitiative soll das Potenzial der aussichtsreichsten Metall-Ionen-Systeme neben Lithium-Ionen-Batterien ausgelotet und deren Entwicklung zu marktreifen Batterien gefördert werden.