Zeit ist reif für neue Technologien

Ob Lithium-Metall-, Festkörper-, Lithium-Schwefel- oder Natrium-Batterien: Das Feld potenzieller Batteriesysteme der „nächsten Generation“ ist groß. Anlässlich des Tages der Batterie an diesem Freitag (18. Februar) gibt Dr. Peter Bieker vom „Meet Batterieforschungszentrum“ der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster, einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, einen Überblick über vielversprechende Batteriesysteme und erklärt, warum das Ziel nicht immer „höher, schneller, weiter“ sein muss.

Wie wird sie aussehen, die viel gepriesene „Batterie der Zukunft“?

Peter Bieker: Es wird aller Voraussicht nach nicht die eine Batterietechnologie der Zukunft geben. Wir rechnen damit, dass sich der Markt stärker ausdifferenzieren wird. Aktuell dominiert die Lithium-Ionen-Batterie, denn sie ist ein wahrer Alleskönner. Sie wird uns die nächsten zehn bis 15 Jahre auch weiterhin als dominierender Batterietyp begleiten, aber wir sind überzeugt, dass andere Systeme hinzukommen werden – je nach Anwendung. So braucht es für ein Flugzeug eine leichte Batterie, während Batterien in Alltagsgeräten wie Smartphones oder Uhren eher auf kleinen Platzbedarf optimiert sind. Es muss in puncto Batterien aber nicht immer „höher, schneller, weiter“ sein. Parameter wie „umweltfreundlicher, verfügbarer, kostengünstiger“ rücken immer mehr in den Fokus. Wir brauchen also ein Umdenken und sollten unsere Ansprüche an Batterien differenzierter geltend machen.

Welche Batteriesysteme sind die vielversprechendsten Kandidaten als Batterien der nächsten Generation?

Bieker: Lithium-Metall-Batterien mit einem Feststoffelektrolyt gelten als sehr vielversprechend. Sie verfügen über eine sehr hohe Energiedichte, können sicherheitstechnisch wahrscheinlich mit Lithium-Ionen-Batterien mehr als mithalten und sind die Hoffnungsträger für Elektromobilität und Luftfahrt.

Wie sind hier die weiteren Perspektiven?

Bieker: Aktuell wird daran geforscht, die Stabilität dieser Technologie weiter zu verbessern. Viele rechnen damit, dass wir Lithium-Metall-Batterien noch in dieser Dekade auf dem Markt sehen werden. Auch in dieser Dekade könnte eine weitere Technologie hinzukommen, etwa eine lithiumfreie Batterie, die auch auf den Einsatz umweltschädlicher und teurer Metalle wie Nickel oder Kobalt verzichtet. Hier wird an mehreren Technologien gearbeitet, die zum Beispiel für Heimanwendungen wie Alarmanlagen, Thermostate oder auch Lautsprecher eingesetzt werden könnten. Eine günstigere und ebenfalls ressourcensparende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien könnten Natrium-Ionen-Batterien sein. Diese Batteriezellen werden zwar wahrscheinlich eine geringere Energiedichte aufweisen, könnten dafür aber Vorteile bei der Schnellladung mit sich bringen. In Japan werden beispielsweise bereits erste Zwischenspeicher für Stromkraftwerke mit diesem Batterietyp betrieben.

Die Möglichkeiten sind vielfältig. Gibt es weitere Optionen?

Bieker: Eine weitere Option ist die Dual-Ionen-Technologie. Bei dieser sind anstelle nur einer Sorte von Ionen – der Lithium-Ionen – auch die Elektrolyt-Anionen an der Energiespeicherung beteiligt. Der Elektrolyt fungiert somit als Aktivmaterial, was weitere Optimierungsansätze bietet. Als Einsatzgebiet sind beispielsweise Notstromaggregate oder andere stationäre Anwendungen vorstellbar. Intensiv geforscht wird auch an organischen Polymerbatterien. Diese haben sehr hohe Lade- und Entladeraten und würden sich daher zum Beispiel für Anwendungen wie Bremskraftverstärkungen in Auto, Bus oder Bahn eignen. Sie sind aber eher Leistungsspeicher als Energiespeicher.

Warum sind diese Technologien derzeit noch nicht verfügbar?

Bieker: Bei jeder dieser alternativen Technologien gibt es aktuell noch Aspekte, die der weiteren Forschung bedürfen – sei es im Hinblick auf die Energiedichte, die Sicherheit oder die Zyklenstabilität. Besonders wichtig ist, den Herstellungsprozess neuer Batterietechnologien bereits mitzudenken und entsprechende Forschungsarbeit zu leisten.

Welche Rolle spielt in diesem unmittelbaren Zusammenhang das Thema Nachhaltigkeit?

Bieker: Bei uns in Europa eine sehr große Rolle! Faktoren wie die Herstellung von Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen, umweltschonende Produktionsprozesse oder Zweitverwertung und Recycling genutzter Batterien müssen bereits bei der Entwicklung neuer Batterietypen berücksichtigt werden. In einer zirkulären Wirtschaft von Batterien liegt enormes ökologisches und wirtschaftliches Potenzial. Sie steht seit langem auch bei uns im Fokus unserer Forschung.