Menü öffnen

Energiespeicher der ZukunftNobelpreis für Lithium-Akkus, Hoffnung für Calciumbatterien

Ein Lithium-Ionen-Akku in einer menschlichen Hand liegend
Liegt gut in der Hand das kleine Ding, 6000 davon braucht allein ein Tesla Series 6: Lithium-Ionen-Akkus werden weltweit eingesetzt, um die Elektronik zu betreiben, mit der wir durch unseren ganz normalen Alltagswahnsinn düsen – von der Dauerbeschallung bis zur rasanten Fortbewegung. (Foto: Wesley Fryer / Flickr.com / CC BY 2.0)

Es war ein entscheidender Schritt für die Zukunft der fossilfreien Energieversorgung: Die Erfinder des Lithium-Ionen-Akkus haben den Nobelpreis erhalten. Indes arbeiten Forscher an der Entwicklung von Batterien mit umweltfreundlicheren Materialien.

16.10.2019 – Lithium-Ionen-Batterien werden weltweit eingesetzt, um die Elektronik zu betreiben, mit der wir kommunizieren, arbeiten, Musik hören und uns fortbewegen. Die Entwickler solcher Energiespeicher sind nun mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet worden: der US-Amerikaner John Goodenough von der University of Texas in Austin, der Brite Stanley Whittingham von der Binghamton State University of New York und der Japaner Akira Yoshino von der Meijo University Nagoya in Tokio. „Lithium-Ionen-Batterien haben unsere Gesellschaft dramatisch verändert“, kommentierte Olof Ramström vom Nobelpreiskomitee bei der Bekanntgabe der Preisträger die Entscheidung der Jury. Die leichtgewichtigen Akkus machen uns mobil – vom Smartphone bis zum Elektroauto; und sie sind Speicher für die Energie aus Sonne und Wind – und damit ein entscheidender Beitrag für die Energiewende und den Weg aus der fossilen Ära, so die Jury.

Der Grundstein für Lithium-Ionen-Batterien wurde während der Ölkrise in den 1970er Jahren gelegt. Damals waren es Ölkonzerne, die die Forschung finanzierten und zunächst vorantrieben, um sich auf die Zukunft vorzubereiten und am Markt zu bestehen. Einfach war die Entwicklung im Laufe der Jahrzehnte nicht, es gab viele Rückschläge, Zwischenstufen und Umwege. Und neben den Vorteilen wurden zunehmend auch etliche Nachteile offensichtlich – die vor allem mit dem steigenden Rohstoffbedarf zusammenhängen. Der seltene Rohstoff Lithium wird heute insbesondere in Australien sowie Chile und Argentinien gewonnen. Die Gewinnung ist wasserintensiv und bringt gravierende Nachteile für die Umwelt und die Menschen in den Abbaugebieten.

Auf dem Weg zu umweltfreundlicheren Batterien

Lithium-Akkus waren also der Durchbruch für die Energieversorgung der Zukunft, doch jetzt geht es weiter. „Erst effiziente, große und kostengünstige Energiespeicher eröffnen die Möglichkeit einer flächendeckenden Umstellung auf emissionsfreie Mobilität und Stromversorgung. Doch die heute dominierende Lithium-Ionen-Technologie kann diese Aufgabe in globalem Maßstab nicht erfüllen“, sagt Professor Maximilian Fichtner vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Direktor der Forschungsplattform CELEST, in deren Rahmen Forscherteams unter anderem Calciumbatterien weiterentwickeln. „Lithium-Ionen-Batterien kommen von ihrer Performance und manchen darin verwendeten Rohstoffen mittelfristig an ihre Grenzen und könnten dann nicht überall dort eingesetzt werden, wo im Rahmen der Energiewende Energiespeicher sinnvoll wären“, so Fichtner. „Wir verfügen nur über begrenzte Vorkommen von Rohstoffen wie Kobalt, Nickel und Lithium, die für die Herstellung notwendig sind.“

Fichtner und sein Team erforschen daher alternative Batterietechnologien, die auf Rohstoffen basieren, deren Vorkommen nicht so begrenzt ist und deren Gewinnung viel weniger oder möglichst gar nicht umweltschädlich ist. Das Element Calcium hält der Forscher für einen vielversprechenden Rohstoff, da Calcium etwa im Gegensatz zu Lithium zwei Elektronen pro Atom ab- und aufnehmen kann und weil es eine ähnliche Spannung liefert wie Lithium. Und es ist nicht problematisch in der Gewinnung. „Calcium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste. Es ist gleichmäßig auf der Erde verfügbar und bietet den Vorteil sicher, ungiftig und kostengünstig zu sein“, erläutert Fichtner die Vorteile.

Batterien auf Basis von Calcium versprechen also eine günstige Herstellung und eine hohe Energiedichte. Diese Technologie aus dem Labor besitze das Potenzial, als Energiespeicher der Zukunft die Lithium-Ionen-Technologie abzulösen. Einfach ist es jedoch nicht bei der Optimierung von Batterien: Bei der Entwicklungsarbeit zur Calciumbatterie gab es bislang eine große Hürde: Im Gegensatz zur etablierten Lithium-Ionen-Technologie oder auch der neueren Natrium- oder der Magnesium-Technologie existierten bislang keine praktikablen Elektrolyte, um wiederaufladbare Calciumbatterien herzustellen.

Doch nun gelang es, eine Klasse neuer Elektrolyte auf Basis spezieller, organischer Calciumsalze zu synthetisieren, mit denen Ladevorgänge auch bei Zimmertemperatur möglich sind, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science. Demnach konnten sie nachweisen, dass Calciumbatterien mit hoher Energiedichte, Speicherkapazität und Schnellladefähigkeit möglich sind. Die neue Elektrolytklasse schaffe eine relevante Grundlage, um Calciumbatterien aus dem Labor in die Anwendung zu führen. In Elektroautos, mobilen Elektronikgeräten und stationären Netzspeichern könnten sie eines Tages die bislang dominierende Lithium-Ionen-Batterie ersetzen. Doch in der Batterieforschung geht alles nur Schritt für Schritt voran – und so sei der Weg zur Marktreife noch ein langer, dämpft Fichtner die Euphorie ein wenig. na


Mehr zum Thema


energiezukunft