Science
07/24/2013

Akkus bleiben Flaschenhals der Technologie

In der Akku-Entwicklung gab es in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte. Moderne Lithium-Ionen-Akkus haben Smartphones, Tablets und erste serienreife Elektroautos überhaupt erst möglich gemacht. Die derzeitige Technologie stößt langsam an ihre Grenzen, die hoch gesteckten Erwartungen der Konsumenten können aber noch nicht erfüllt werden. Die nächsten Akku-Generationen liefern in Labors bereits vielversprechende Ergebnisse, brauchen aber noch Zeit bis zur Marktreife.

Leere Mobiltelefonakkus und E-Autos mit zu geringer Reichweite konfrontieren Konsumenten unmittelbar mit den Grenzen moderner Akku-Technologie. Ohne die mobilen Energiespender wäre die moderne Kommunikationsgesellschaft zwar nicht denkbar, die begrenzte Leistung ist für viele Nutzer aber trotzdem frustrierend.

"Die Erwartungen in der Bevölkerung sind zu hoch. In der Forschung passieren zwar enorme Fortschritte, die Anwendungen verzögern sich aber. Allein die Zulassung neuer Materialien dauert fünf bis zehn Jahre, ohne Entwicklungszeit", sagt Nicola Hüsing, Professorin für Materialchemie an der Universität Salzburg, im Gespräch mit der futurezone. Zusätzlich befeuern immer wieder auftauchende Berichte über Durchbrüche in der Materialforschung die Träume der Menschen von mobilen Energiequellen mit praktisch unbegrenzter Kapazität.

Erfolgsstory
"Die Lithium-Ionen-Technologie ist gut etabliert. Weltweit werden jährlich etwa 2,5 Mrd. Zellen produziert. Medien-Meldungen über neue Materialien für Elektroden oder Elektrolyte, die auf das Gesamtsystem Akku nur geringen Einfluss haben, tragen aber zu überhöhten Erwartungen bei. So wird Fortschritt suggeriert, der nicht in der Form da ist. Derzeit müssen wir mit dem auskommen, was verfügbar ist", erklärt Martin Wietschel vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung gegenüber der futurezone.

Von der aktuell eingesetzten Lithium-Ionen-Technologie sind, was die Leistungsdaten angeht, keine großen Sprünge mehr zu erwarten. "Die Energiedichte kann noch um maximal 20 bis 30 Prozent gesteigert werden, hier bewegt sich die Technik schon nahe an den physikalischen Grenzen, die akzeptiert werden müssen", so Wietschel.

Leistung ist nicht alles
Dass die Entwicklung neuer Akku-Technologien langsam voranschreitet, ist aber ein Trugschluss. "Der öffentliche Druck ist groß, dabei wird leicht vergessen, dass Akkus heute wesentlich besser sind als vor zehn Jahren", sagt Hüsing. Jetzt nähert sich der Fortschritt bei der Erhöhung der Leistungsdichte, die etwa ausschlaggebend für die Laufzeit eines Handyakkus ist, allerdings einem Plateau an.

In anderen Bereichen sind Verbesserungen aber noch möglich. "Die aktuell schon eingesetzte Lithium-Eisenphosphat-Technologie ist ein großer Schritt für die Sicherheit der Zellen. In fünf Jahren könnte es, was die Ladezeiten angeht,  einen Sprung nach vorne geben", so die Professorin.

Zukunftsmusik
Kommende Generationen von Akkus, die immer wieder als vielversprechende Alternativen präsentiert werden, wie etwa Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Zellen, brauchen noch Zeit, bis sie bereit für den Massenmarkt sind. "Große Sprünge werden, was die Leistungsdaten angeht, erst mit kommenden Akku-Generationen möglich sein.

Hier bewegen wir uns aber noch im Bereich der Grundlagenforschung. Lithium-Schwefel-Akkus, die in der Praxis etwa eine Verdoppelung der Energiedichte erlauben, werden noch zehn bis 15 Jahre auf sich warten lassen. Metall-Luft-Akkus, welche die Energiedichte sogar um den Faktor drei bis vier verbessern könnten, sind dann der nächste Schritt", konkretisiert Wietschel.

Noch exotischere Ansätze, wie der Einsatz von Metallen mit größerem elektrochemischem Potenzial anstelle von Lithium, liegen noch weiter in der Zukunft. Daran ändern auch die enormen finanziellen Mittel, die Unternehmen und öffentliche Hand in die Akku-Forschung investieren, wenig.

Europäischer Fehler
"Die vergleichsweise langsame Entwicklung hat mehrere Gründe. In Europa haben wir die Akku-Forschung vor 20 bis 25 Jahren als Low-Tech abgestempelt und nach Asien exportiert. Ein großer Teil der Mittel, die jetzt wieder investiert werden, muss in den Aufholprozess im Vergleich zu den führenden Nationen Japan und Südkorea investiert werden. Der Weg von der Forschung in die Praxis ist zudem, gerade bei der Automobilindustrie, lang", so der Fraunhofer-Wissenschaftler.

Einfacher ist die Situation beim Einsatz der Akkus in der Unterhaltungselektronik. "Smartphones gibt es noch nicht lange, aber die Akkus haben sich im Bezug auf Gewicht, Größe, Sicherheit und Leistungsfähigkeit schon enorm verbessert. Ein Akku ist immerhin ein komplexes Gesamtsystem, bei dem viele Faktoren aufeinander abgestimmt werden müssen", so Hüsing.

Elektromobilität
Im Straßenverkehr sind die Anforderungen weitaus höher. "Elektroautos werden frühestens mit der übernächsten Akku-Generation die Reichweiten von Verbrennungsmotoren erreichen, zumindest wenn akzeptable Preise das Ziel sind. Bis dahin werden Plug-in- und Range-Extender-Konzepte größere Marktanteile haben als reine Batteriefahrzeuge", erklärt Wietschel.

Ob Akkus überhaupt der richtige Weg zur Elektromobilität sind, ist umstritten. "Ich wage das zu bezweifeln. Die Industrie ist hier vielleicht  zu optimistisch. Andere Möglichkeiten sind derzeit noch im Vorteil", so Hüsing. Wasserstoff-Brennstoffzellen werden etwa immer wieder als Alternative genannt.

"Das Fenster für diese Technologie schließt sich aber langsam. Wenn die nächste und übernächste Akku-Generationen wie geplant entwickelt werden, brauchen wir irgendwann keinen Wasserstoff mehr, da die Energiedichte dann ausreicht und die Energieeffizienz von Akkus höher ist", sagt Wietschel.

Hoher Preis
Um sich wirklich als Energielieferant im Autobau durchsetzen zu können, müssen dei Akkus aber nicht nur leistungsfähiger werden. Auch der Preis ist derzeit noch zu hoch.

"Es gibt schon sehr günstige Lithium-Ionen-Akkus, welche aber die Qualitätsanforderungen der Automobilindustrie nicht erfüllen können. Für Autos müssten hochwertige Batterien, die derzeit zwischen 380 und 450 Euro pro Kilowattstunde kosten, preislich auf 300 bis 350 Euro sinken. Hält die derzeitige Entwicklung an, wird das in etwa fünf Jahren der Fall sein", so der Fraunhofer-Experte.

Die Autoindustrie investiert derzeit große Summen in die Akku-Forschung. Angestrebte Senkungen der Produktionskosten sind aber nicht der einzige Grund für diese Ausgaben. "Das ist auch für die Länder mit starken Firmen in diesem Bereich wichtig, weil bei Elektroautos mit dem konventionellen Antriebssystem ein großer Teil der Wertschöpfung wegfällt. Das bedeutet den Verlust von Arbeitsplätzen und Bruttosozialprodukt. Die Herstellung möglichst großer Teile des Batteriesystems in Europa soll praktisch den Wegfall des Motors kompensieren", erläutert Wietschel.

Schlechte Ökobilanz
Ein weiteres Problem, das gelöst werden muss, ist die ökologische Verträglichkeit. "Recycling ist bei Elektronik allgemein schwierig. Für die Lithium-Ionen Akkus ist das Problem noch nicht gelöst. Es sind ettliche Verbindungen in den Zellen enthalten", sagt Hüsing. Die Herstellung der Lithium-Ionen-Zellen ist enorm energieintensiv. "Bei Verwendung von konventionellem Strom aus nicht erneuerbaren Quellen ist ein Elektroauto oft sogar weniger umweltfreundlich als ein Verbrennungsmotor", fügt Wietschel hinzu.

Zudem könnte auch der Nachschub mit Rohstoffen für massenhaft produzierte Akkus in Zukunft schwieriger werden. "Dass Rohstoffe für Akkus tatsächlich knapp werden, ist eher nicht wahrscheinlich. Mit moderner Technologie, Recycling und Urban Mining ist die Situation beherrschbar. Allerdings sind Länder mit entsprechenden Vorkommen oft geopolitisch schwierig. Es könnte eine Abhängigkeit entstehen, die jener ähnelt, die wir heute im Bezug auf erdölproduzierende Länder sehen", so der Fraunhofer-Forscher.

Alternative Akku-Technologie
Lithium-Ionen-Akkus eignen sich nicht für jeden Zweck. Sind kostengünstige Langzeitspeicher für große Energiemengen gefragt, sind andere Technologien gefragt. Das wird vor allem bei Konzepten für künftige Stromnetze, die überschüssige Energie aus Wind- und Solarkraftwerken speichern und bei ungünstigen Verhältnissen wieder abrufen müssen, schlagend.

"Als Energiespeicher in Stromnetzen ist die Lithium-Ionen-Technologie zu teuer. In Haushalten mit Photovoltaik-Anlagen könnten entsprechende Akkus aber als Pufferspeicher eingesetzt werden", so Wietschel. Die Wissenschaftler beschäftigen sich deshalb auch mit anderen Konzepten.

"Redox-Flow-Batterien oder Superkondensatoren haben ebenfalls ihre Berechtigung. In Zukunft wird es für viele verschiedenen Einsatzgebiete ebensoviele Akku-Typen geben. Auch Kombinationen, etwa aus Lithium-Ionen-Akkus und Superkondensatoren für kurzzeitige Leistungsschübe, machen Sinn", erklärt Hüsing.

Lithium bleibt König
In den Bereichen, in denen wenig Gewicht, hohe Leistungsdichten und geringe Größe wichtig ist, werden die Lithium basierten Akkus aber wohl noch auf Jahre hinaus die wichtigsten Energiespeicher bleiben. Die Produktionsvolumen nehmen jedenfalls ständig zu.

"Es werden verschiedene Lithium-Zellen produziert, da je nach Einsatzgebiet unterschiedliche Anforderungen erfüllt werden müssen. Einige Marktprognosen der vergangenen Jahre waren wahrscheinlich zu optimistisch. Jetzt sind die Prognosen eher pessimistisch. Die Wahrheit liegt irgendwo in der Mitte. Mit den steigenden Volumen werden auch die Preise weiter fallen", sagt Wietschel.

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