Werden E-Autos bald mit Lithium-Schwefel-Akkus ausgestattet? (Quelle: „Nissan Leaf, bislang meistverkauftes Elektroauto (Stand 04/2015)“ von Mariordo, Lizenz: CC BY 2.0)
Akku gesucht: in naher Zukunft benötigen wir neue Konzepte für mehr Power in sämtlichen Lebenslagen. Welche Ideen existieren, erfährst du hier.
Stell dir vor: im Keller steht eine recht große Batterie. Du liegst in einem Smart Home auf dem Sofa, schaust fern oder surft im Internet mit einem 3D-Hologramm-Computer. Das Dach der Garage ist mit Solarzellen ausgelegt. In der Garage steht ein grünes Auto – angetrieben mit Strom aus Steckdosen.
Du kannst mit dem Auto reden. Es heißt nicht K.I.T.T., sondern Tesla, Siri oder Ok Google. Das Haus antwortet dir auch in Form von Licht, Gartenbewässerung oder einem Anstieg der Raumtemperatur – falls gewünscht. In deiner Tasche befindet sich ein kleines Smart Device, mit dem alles gesteuert wird. Stimm- und Bewegungsgesten funktionieren ebenfalls, wenn du das Sofa nicht verlassen willst. Willkommen im Internet der Dinge!
Mehr Energie für das Internet der Dinge
Zurück zur Wirklichkeit: das Ganze ist eine zukünftige, mögliche Lebensform, die auch als Ubiquitous Computing, Ambient Intelligence oder Pervasive Computing bezeichnet wird. Solche Szenarien würden wirklich viel, wirklich ganz viel Energie benötigen. Das Problem liegt nicht darin, Hardwarekomponenten zu bauen, Software zu entwickeln und alles miteinander zu vernetzen. Sondern in der Energiespeicherung. Klar, irgendwie muss Energie abrufbar, verteilt und fast allgegenwärtig sein, wenn Dinge miteinander vernetzt sind.
Erneuerbare Energie wird mehr und mehr zum Trend in der Gesellschaft. (Quelle: „Typical Solar Installation“ von Tim Fuller ,Lizenz: CC BY 2.0)
Zwar können wir erneuerbare Energien mit Solarzellen, Wind- und Wasserkraft, Geothermie und Biomasse erzeugen. Aber der Transport, die kabellose Übertragung und die Speicherung von Energie bereiten uns manchmal Probleme. Die Themen Mobilität und Industrie 4.0 hängen damit auch noch zusammen. Im Grunde brauchen wir hocheffiziente, umweltfreundliche Energiespeicher für alle möglichen Anwendungen – ob Auto, Haus, Smart Device oder Industrieanlage.
Welche Konzepte gibt es? Ein kurzer Ausflug in die Elektrochemie
Von wegen Mobilität: Knight Rider hatte eine schwere, quadratische Autobatterie unter der Haube. Ein sogenannter Bleiakkumulator. Ein schweres Ding, das durch die Lichtmaschine wiederaufgeladen wurde. In heutigen Smartphones, Tablets oder Wearables sind meist weitaus leichtere und kleinere Lithium-Ionen-Akkus verbaut – das ist der allgemeine Standard mit einer ansehnlichen Energiedichte von etwa 250 Wh/kg; und die neuesten Modelle sind schnellladefähig.
Es gibt Varianten, die mit verschiedenen Elektroden und Elektrolyten arbeiten. Elektroden sind, grob gesagt, die beiden Pole, zwischen denen dann die Lithiumionen, die sich in der Elektrolytlösung befinden, hin und her wandern und durch Entladung Strom erzeugen. Sie werden auch als Kathode und Anode bezeichnet. Sowohl das Material der Pole als auch die Elektrolytlösung wirken sich auf die Eigenschaften des Akkus aus. Aspekte wie die Ladezeit, der Wirkungsgrad und die Energiedichte sind bei Batterien sehr verschieden – mit diesen Aspekten können sie verglichen werden.
Lithium-Schwefel-Akkus: Hohes Potenzial?
An weiteren elektrochemischen Möglichkeiten und Kombinationen wird natürlich überall auf der Welt geforscht. Zum Beispiel Lithium (Li) und Schwefel (S). Dieses Konzept gilt als Nachfolger für die weitverbreiteten Lithium-Ionen-Akkus, die sich seit Markteinführung im Jahr 1991 nicht wesentlich verändert haben und deshalb auch kaum Zukunftschancen haben, dem IoT gewachsen zu sein. Zwischen 400 und 600 Wh/kg Energiedichte sollen Li-S-Zellen bei Marktreife erreichen. Leichter und effizienter mit Bezug zum Gewicht sollen sie auch sein. Die Vorteile des Konzepts: eine verlängerte Lebensdauer von bis zu 1.500 Ladezyklen, speichern von bis zu 5 x mehr Energie pro Gramm als bei Li-Ionen-Akkus und Li-S-Akkus kommen ohne Grafit im Inneren aus, was sie günstiger und kleiner werden lässt.
Das Problem liegt derzeit wohl an den Lade- und Entladezyklen: bevor ein Akku auf den Markt kommt, sollte er einige tausend Zyklen unbeschadet durchlaufen können. Soweit ist die Forschung mit Lithium und Schwefel offenbar noch nicht. Zwar erreichte das Frauenhofer Institut in Tests bis zu 2.000 stabile Zyklen, jedoch verloren die Akkus an Kapazität. Das Potenzial für Li-S-Akkus wird von Spezialisten dennoch als sehr hoch eingeschätzt. Es kann sich um fünf bis zehn Jahre handeln, bis die ersten Akkus auf den Markt kommen.
Magnesium-Ionen-Akkus: Ein Blick in die Sterne
Wie wäre es, wenn statt des Lithiums Magnesium verwendet wird? Genau das haben sich einige Wissenschaftler aus Israel von der Bar-Ilan University in Ramat-Gan gedacht. Das Magnesium ist in der Lage, mehr Energie bei gleichem Volumen zu transportieren. Der Nachteil ist, dass durch das Magnesium auch die Fließeigenschaften der Ladung im Elektrolyt reduziert werden. Wie bei Elektroautos könnten aber andere Elektrolyte getestet werden.
Tesla ist Vorreiter in Sachen Akkus. (Quelle: „Charging Tesla Model S“ von Jeff Cooper, Lizenz: CC BY 2.0)
Oder man setzt bei der Struktur der Elektroden an und verändert die Anordnung von Atomen, Molekülen und Ionen auf Mikroebene. So etwas nennt man dann Interkalationskomplexe: Das sind Strukturen, zum Beispiel aus Grafit, in denen sich die Ionen während des Ladeprozesses einlagern (und bei Entladung auslagern). Aber auch hier haben wir es wieder mit Forschungsfragen zu tun. Wann Magnesium-Ionen-Akkus am Markt verfügbar sind, steht in den Sternen. Gelingt die Marktreife, profitiert der Markt von einer umweltfreundlichen, kostengünstigen Lösung – insbesondere im Bereich der Elektromobile. In Konkurrenz mit heutigen Li-Ionen-Akkus bei Mobile Devices treten die Magnesium-Akkus aufgrund ihres Gewichts und ihrer Leistung vermutlich nicht.
Sauerstoff-Natrium-Akkus
Auch Sauerstoff und die Verbindung von mehreren vernetzten Lithium-Ionen-Akkus sind am Wettrennen um eine mögliche Zukunft in der Energiespeicherung beteiligt. Im Falle von Sauerstoff wurde Natrium bereits als Partner gehandelt. Natrium ist gewissermaßen der große Bruder des Lithiums, weil es sich im Periodensystem direkt darunter befindet. Aber sobald ein Material geändert wird, verändert sich das gesamte elektrochemische System: die Natrium-Ionen lagern sich nicht so einfach ab. Die erwähnte Interkalation läuft anders ab.
Deshalb experimentieren Wissenschaftler mit weiteren Elektrolyten, die den Vorgang der Ablagerung unterstützen. Zwischen den beiden Polen muss sozusagen vermittelt werden. Welche elektrochemischen Kombination die Akkus der Zukunft bilden, wird die Forschung zeigen. Die braucht in der Regel aber relativ lange, bis modernere Akkus privat und gewerblich nutzbar sind. Derzeit ist es gerade mal gelungen, die Lebensdauer zu erhöhen, jedoch sind 100 Ladezyklen für den effizienten Einsatz viel zu wenig. Die Marktreife ist noch in sehr weiter Ferne.
Teslas Smart Grid-Lösung: tausende Vorbestellungen
Tesla war mit dem Weg der Vernetzung mehrerer Energiezellen einen Schritt schneller. Kürzlich stellte das Unternehmen die Powerwall vor. Flüssigkeitsgekühlte, 10 kWh starke Lithium-Ionen Akkus – inklusive Schnittstellen für Smart Home und Smart Grid. Tagsüber lädt sich die Powerwall auf, nachts bedient sie sich bei Bedarf am Stromnetz. Dann sind Strompreise besonders günstig. An industrielle Kunden soll sich das Powerpack richten. Hier schlummern zwischen 100 kWh und bei Vernetzung sogar mehrere Megawattstunden.
Tausende Vorbestellungen sind schon in der Konzernzentrale in Palo Alto eingegangen. Vielleicht sollte man Tesla-Aktien kaufen. Zumal Forbes die Autoschmiede, die sich gerade zum Energielieferanten entwickelt, zu dem innovativsten Unternehmen des Jahres 2015 kürte. Dann könnte man sich auch zeitnah einen Pontiac Firebird Trans Am besorgen und ihn K.I.T.T. nennen. Das würde das Warten auf Forschungsergebnisse in Sachen Energiespeicherung und -transport zumindest verkürzen.
Noch kein Super-Akku in Sicht
In dieser Zeit machen sich die Forscher dann Gedanken über die beste elektrochemische Kombination. Was sie dabei nicht vergessen dürfen: Die eingesetzten Materialien sollten leicht zu beschaffen und möglichst umweltfreundlich sein. Elektrische Geräte mit seltenen Erden gibt es schon genug und irgendwann müssen Akkus auch entsorgt und recycelt werden. Das sind Fragen, die beantwortet werden müssten. Hinzu kommt das Thema Praktikabilität: während sich Produkte weiterentwickeln, bleibt der Fortschritt beim energiegebenden Akku zäh. Weder wurden Akkus entwickelt, die Elektrofahrzeuge länger antreiben können, noch sind Lösungen für Smartphone und Smart Home in Sicht. Ansätze existieren, der große Wurf bleibt bislang aus. Bedacht werden müssen Umweltfaktoren, Energiedichte, Preis, Leistungsfähigkeit auch bei ungünstigen Eigenschaften wie hohen/ niedrigen Temperaturen. Diese Komplexität führt dazu, dass der Superakku noch nicht existiert.
Aber spinnen wir ruhig noch etwas:
Von welcher elektrochemischen Kombination versprecht ihr euch „mehr Power“?
Was muss der „Akku der Zukunft“ deiner Ansicht nach leisten, um diesen Titel zu verdienen?
Der Beitrag Der Akku der Zukunft: Konzepte für mehr Power erschien zuerst auf Das Conrad Blog.