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Science
02/04/2020

Das kommt nach dem Lithium-Ionen-Akku

Seit 30 Jahren sind Lithium-Ionen-Batterien im Einsatz. Nun wird mit Sauerstoff, Schwefel und Magnesium experimentiert.

von Martin Stepanek

Der Forschungsaufwand ist enorm. Und doch findet sich seit 30 Jahren praktisch nur eine Batterietechnologie, die in Milliarden Handys, Notebooks, E-Roller und Elektroautos verbaut ist: der Lithium-Ionen-Akku. Nach Forschungserfolgen der Chemienobelpreisträger John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino in den 70er- und 80er-Jahren feierte der Akku 1991 schließlich in der Sony-Kamera "CCD TR1" seine kommerzielle Premiere.

Seit damals hat sich viel getan. Die Energiedichte, also wieviel Energie auf einem bestimmten Raum gespeichert werden kann, hat sich fast vervierfacht. Aber auch die Lebensdauer sowie die anhaltende Leistungsfähigkeit konnte durch besseres Energie- und Temperaturmanagement beim Laden und Entladen drastisch erhöht werden. Da die Entwicklung bei bestehenden Lithium-Ionen-Akkus langsam, aber sicher an physikalische Grenzen stößt, wird längst mit neuen Materialien experimentiert.

Feststoffzelle auf Lithium-Ionen-Basis

Relativ weit fortgeschritten ist die Forschung bei der anvisierten nächsten Generation der Lithium-Ionen-Batterie: den sogenannten Feststoffakkus. Bei diesen wandern Lithium-Ionen immer noch von der positiven zur negativen Elektrode (Anode). Der dafür notwendige Elektrolyt ist aber nicht mehr flüssig, sondern aus einem festen Material wie Polymeren oder Keramik.

Mithilfe anderer Materialtricks könnte die Energiedichte verdoppelt werden, sind manche Forscher überzeugt. Sie wollen die aus dem Kohlenstoff Grafit bestehende Anode durch reines Lithium-Metall ersetzen. Andere Forscher bezweifeln, dass die auf dem Papier und in Laborsimulationen erreichten Wunderwerte in der Praxis erzielt werden können und heben eher die im Vergleich zu existierenden Lithium-Ionen-Akkus geringere Brandgefahr hervor.

Und auch sonst gibt es noch Hürden. Neben einigen ungelösten produktionstechnischen Fragen funktionieren die Akkus bei Kälte schlecht, was gerade für Autos im Winter problematisch ist. Ein weiterer Parameter ist die geringere Lebensdauer, die etwa durch Lithium-Metall-Anoden sinken könnte. Und nicht zuletzt sind auch die Kosten derzeit noch weit davon entfernt, um mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus mitzuhalten.

Lithium-Luft-Akku verspricht enorme Kapazität

Neben den Feststoffbatterien auf Lithium-Basis könnten künftig auch Natrium, Schwefel, Magnesium oder auch Sauerstoff zum Einsatz kommen. Mit Lithium-Luft-Akkus etwa, die am österreichischen AIT erforscht werden, könnte die Kapazität verzehnfacht werden. Das Interessante an diesem System ist den Forschern zufolge, dass das Aktivmaterial Sauerstoff aus der Luft kommt und daher nicht im Akku gespeichert werden muss. Dadurch verringert sich das Gesamtgewicht deutlich.

Die Forschung steckt aber noch in den Kinderschuhen, zumal die Herausforderungen von Li-O2-Technologien vielfältig sind. Das verwendete Lithiummetall neigt dazu, dass sich störende Materialablagerungen, sogenannte Dendriten, bilden. Und auch für die Konstruktion der durchlässigen Kathode, die den Sauerstoff aus der Luft zuführt, sowie des notwendigen Katalysators ist noch einiges an Forschungsarbeit notwendig.

Magnesium-Ionen statt Lithium-Ionen

Eine weitere Möglichkeit sind Magnesium-Ionen. Während Lithium nur ein Elektron beim Laden abgibt, sind es bei Magnesium zwei, was die Kapazität verdoppeln würde. Das Problem dabei ist, dass Magnesium-Ionen größer als Lithium-Ionen sind. Sie lassen sich daher schwerer im Trägermaterial einlagern. Dadurch, dass zwei Ionen gleichzeitig auf Wanderung gehen, ergeben sich neue Herausforderungen in puncto Materialstabilität der Kathode.

Lithium-Schwefel-Batterie für Flugzeuge

Das Fraunhofer-Institut IWS in Dresden ließ zuletzt durch eine Lithium-Schwefel-Batterie aufhorchen, die bei gleichem Gewicht deutlich mehr Energie speichern soll und zudem kostengünstig sein soll. Der Teufel steckt aber auch hier wieder im Detail. Der Akku ist zwar leichter, benötigt für die gleiche gespeicherte Energiemenge aber mehr Platz, was ihn für einen Einsatz in vielen Elektrogeräten und selbst im Auto letztlich unattraktiv macht.

Dazu kommt, dass seine Lebensdauer derzeit noch stark begrenzt ist. Forscher glauben aber, dass er etwa für Fluganwendungen interessant sein könnte. Auch an der Verbesserung der Lebensdauer wird intensiv gearbeitet.