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Je nach Anwendungsfall (Haus, Auto, Smartphone) könnten Batterien aus unterschiedlichen Baustoffen sinnvoll sein. Bild: shutterstock

Empa und ETH zeigen, warum wir noch lange auf den Super-Akku warten müssen

Weltweit wird an effizienten und umweltfreundlicheren Alternativen zu den heute populären Lithium-Ionen-Batterien geforscht. Doch bis zum Durchbruch alternativer Batterien gibt es für die Forschungsgruppen noch viel zu tun, wie eine Studie der Empa und ETH zeigt.



Batterien sind eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Solche aus Lithium gelten als die unbestrittenen Marktführer, doch weltweit suchen Wissenschaftler nach alternativen und umweltfreundlicheren Baustoffen. Forscher der Empa und ETH Zürich identifizierten nun die Schwachstellen von einigen neuen Technologien.

Die Chemiker publizierten ihre Einschätzungen unter anderem in der Fachzeitschrift «New Journal of Chemistry», teilte die Empa am Montag mit. Sie fokussierten sich in der Arbeit auf die Metalle Natrium, Magnesium und Aluminium. Ihre systematische Analyse ergab, dass keine der untersuchten Technologien bezüglich Energiedichte mit Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mithalten kann, wohl auch nicht in Zukunft.

Potential für Alternativen sehen sie jedoch dort, wo Elektrizität zum einen möglichst preisgünstig gespeichert werden soll. Zum anderen in Bereichen, in denen der Fokus auf der umweltfreundlichen Herstellung der Batterien liegt. Grosse Speicherbatterien müssen beispielsweise preisgünstig und umweltfreundlich herzustellen sein. Grösse und Gewicht sind weniger wichtig. Für diesen Anwendungsfall können sich also alternative Baustoffe durchaus lohnen.

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Grosse Speicherbatterien sollten günstig und umweltfreundlich sein, Gewicht und Grösse sind weniger zentral. Bei Akkus in E-Autos ist die Sicherheit und Langlebigkeit zentral, bei kleinen Smartphones u.a. das Gewicht. Bild: shutterstock

Natrium als Alternative

Eine Alternative ist eine Batterie, die auf Natrium basiert und im Prinzip der LIB ähnelt. Der Vorteil: Natrium ist als Rohstoff nachhaltig und alles andere als rar. Es steckt in Meerwasser oder in unterirdischen Salzstöcken. Die Nachteile sind gemäss den Chemikern, dass die Kathode bei Natriumbatterien elektrochemisch weniger stabil sind und viel weniger Ladezyklen als Lithiumbatterien aushalten.

Auch beim Anodenmaterial gibt es Probleme. Graphit, das bei LIB verwendet wird, ist für Natrium-Batterien unbrauchbar. Zinn, Antimon oder Phosphor liefern zwar gute Ergebnisse beim Speichern von elektrischen Ladungen, doch beim Aufladen bläht sich die Anode auf das Dreifache ihres ursprünglichen Volumens auf. Das beeinträchtigt die mechanische Stabilität der Batterie. Bei Phosphor-Anoden kommt hinzu, dass sich beim Aufladen ein extrem giftiges Gas bilden kann.

Schwächen auch bei Magnesium und Aluminium

Auch Magnesium, das günstig und ungiftig ist, wird als Alternative erforscht. Doch: Solche Batterien aufzuladen dauert lange. Zudem sind sie nur in einem kleinen Spannungsbereich nutzbar, wenn sie langlebig sein sollen.

Ebenso ist das Metall Aluminium ungiftig, günstig und in grossen Mengen verfügbar. Aufgrund ihres Funktionsprinzips wird eine Batterie aus Aluminium und Graphit aber immer etwa fünf Mal schwerer sein als eine vergleichbare LIB. Zusätzlich bläht sich die Graphit-Kathode bei jedem Ladevorgang auf mehr als das doppelte ihres ursprünglichen Volumens auf und schrumpft beim Entladen wieder. Das wirkt sich unter anderem nachteilig auf die Langzeitstabilität der Batterie aus.

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Aluminium ist ungiftig und in grossen Mengen verfügbar, doch eine Batterie aus Aluminium und Graphit ist auch etwa fünf Mal schwerer als eine vergleichbare Lithium-Ionen-Batterie. Bild: empa

Umdenken gefordert

Aufgrund ihrer Befunde hoffen die Forscher nicht nur auf neue und konstruktive Lösungen. Sie fordern auch ein Umdenken in der wissenschaftlichen Praxis.

«Oft wird in der Forschungswelt mit einem Experiment nur die Machbarkeit einer Idee bewiesen - die Kosten für alle nötigen Bauteile und das voraussichtliche Gesamtgewicht des kompletten Batteriesystems werden dagegen oft vernachlässigt», liess sich Kostiantyn Kravchyk in der Mitteilung zitieren. Genau diese Parameter seien aber entscheidend für eine mögliche Kommerzialisierung. «Sie sollten daher bei Forschungsarbeiten stärker berücksichtigt werden als bisher.»

Forschung geht weiter

Trotz ihrer einigermassen ernüchternden Studie wollen die Forscher der Empa und ETH Zürich auch in Zukunft weiter an alternativen Speicherbatterien forschen. «Systeme mit Graphit als Kathode bleiben weiterhin sehr interessant. Wir konnten bereits zeigen, dass auch das Schwellen und Schrumpfen des Kathodenmaterials ein durchaus überwindbares Problem ist», sagt Kravchyk. Mit seinen Kolleginnen und Kollegen erforscht er nun «halbfeste» Graphit-Elektroden, die lange halten und zugleich Strom gut übertragen können.

(oli/sda)

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39Alle Kommentare anzeigen
    Alle Leser-Kommentare
  • bruuslii 14.07.2020 14:03
    Highlight Highlight der elektroantrieb ist DIE zukunft. dass die energiespeicherung noch nicht ganz zufriedenstellend ist, ist ein wehrmutstropfen.
    aber pesimistisch in die zukunft würde ich nicht schauen. vielleicht taucht auf einmal ein schwarzer schwan auf, der die batterietechnologie befeuert.
    wer nicht forscht, wird ins hintertreffen geraten.

    aber vielleicht liegt ja eine technologie schon irgendwo in den schubladen der industriellen forschung, die aber aus wirtschaftlichen gründen zurückgehalten wird. öl- und verbrennungsmotoren-lobby lassen grüssen... (so fertig VT, duck und weg 🙈)
  • Erwin 14.07.2020 08:06
    Highlight Highlight Diesen Superakku wird es nie geben, Strom ist nur beschränkt zu lagern, das ist nun mal ein Naturgesetz, wann begreift der Mensch, dass er nicht allrs haben kann, er ist auf diesem Planeten nur geduldet und genau so vergänglich wie alles anddr auch
    • Izak 14.07.2020 13:29
      Highlight Highlight Welches Naturgesetz ist das denn?
    • bruuslii 14.07.2020 13:47
      Highlight Highlight erwin: bist du hellseher? niemand weiss, was in zukunft noch entdeckt wird.
      dass es z.b. penizilin gibt, war ein zufall und niemand hätte das gedacht.
      genau so kann ach auf einmal eine neue technologie zur energiespeicherung entdeckt werden.
    • Bits_and_More 14.07.2020 15:15
      Highlight Highlight Mit dieser Einstellung wären wir wohl nie über die Pfahlbauten heraus gekommen.
    Weitere Antworten anzeigen
  • rodolofo 13.07.2020 22:39
    Highlight Highlight Sehr vielversprechend für stationäre Speicher, zB. in Hauskraftwerken:
    Play Icon
  • Stesla 13.07.2020 21:14
    Highlight Highlight Warten wir es ab. Am 22. September ist «Battery Day» bei Tesla. Bin gespannt, welche Revolution sie aus dem Hut zaubern... Das Datum habe ich jedenfalls fett im Kalender markiert und kann es kaum erwarten! Die Aktie scheint die Vorfreude zu teilen :-).
    • olizont 14.07.2020 06:37
      Highlight Highlight Im der Aktie ist eine solche Batterie bereits eingepreist. Falls dies nicht kommt wird sie wohl wieder sinken!
  • Sälüzäme 13.07.2020 20:34
    Highlight Highlight Wie verschiedene Kommentare bemerkt haben, gibt es nicht nur Akkutechnologie. Norwegen hat im Fiord ein System wie bei einer alten Uhr gebaut. Mit überschüssigem Strom wird ein Gewicht hochgezogen, bei Bedarf wieder herunter gelassen, bis jetzt auf 150 Meter. Der Motor wird dann zum Generator und es braucht kein kritisches Material. Könnte auch in unseren tieferen Seen angewendet werden.
    • CaptainLonestarr 14.07.2020 06:27
      Highlight Highlight Da müssen sie nicht so weit reisen. Im Tessin sollein solcher Speicher aus hunderten von riesigen Betonelementen entstehen. Sie wetden automatisch mit überschüssiger Energie hochgestapelt und bri Bedarf wieder runtergelassen.
    • Matrixx 14.07.2020 09:16
      Highlight Highlight CaptainLonestarr meint Energy Vault.
      Ein Schweizer Startup, das Betontürme baut. Sehr interessante Technologie.

      https://energyvault.com/
  • Benster 13.07.2020 20:23
    Highlight Highlight Für grosse Batterien, welche viel Energie speichern müssen, zum Beispiel für eine Solaranlage, gibt es Vanadium Redox Batterien welche schon jetzt besser geeignet sind als Lithium Batterien.
  • Lienat 13.07.2020 20:08
    Highlight Highlight Wenn es um Energiespeicherung geht, denken viele Leute nur an das Elektroauto. Global betrachtet sind aber Speicher für einen saisonalen Ausgleich von erneuerbaren Energiequellen, insbesondere Photovoltaik, viel wichtiger. Da dort Speicherdichte sowie Schnelllade- und entladefähigkeit von untergeordneter Bedeutung sind, sieht die Situation sehr viel besser aus, als es der Titel des Artikels vermuten lässt. Auch geht dabei unter, dass Batterien nur eine von mehreren Speichermöglichkeiten sind. Vermutlich wird es auf eine geeignete Kombinationen von verschiedenen Technologien hinauslaufen.
  • Ökonometriker 13.07.2020 20:05
    Highlight Highlight Super, dass die Wissenschaftler das kommunizieren. Es gibt nicht nur E-Auto- und Natelakkus - wir brauchen auch für Häuser und Industrie Speicher. Und bei dem ist es egal, wenn er 10mal schwerer ist. Er muss vor allem nachhaltig, günstig und wartungsarm sein.
    • Alain Schneider 14.07.2020 01:34
      Highlight Highlight Für stationäre Anlagen kann man ausgediente E-Auto Speicher gut gebrauchen, da die Lastkurven ganz anders aussehen.
    • Ökonometriker 14.07.2020 10:45
      Highlight Highlight @Alain: kann man irgendwo solche Speicher kaufen?
  • ETH1995 13.07.2020 19:57
    Highlight Highlight ich würde mir wünschen, dass Journalisten verstehen wie Wissenschaft funktioniert. Diese Studie ist weder von der ETH noch von der Empa. stattdessen wurde sie von zwei Arbeitsgruppen verfasst wobei die eine an der ETH ist und die andere an der Empa. An der ETH gibt es zig Arbeitsgruppen die an alternative Energien forschen. Die stimmen nicht alle in ihrer Meinung überein. Was Watson hier macht, ist Zusammenfassung einer Zusammenfassung eines review articles. Das ist sehr löblich. Allerdings hat dieser review Artikel nichts mit der ETH als gesamtes zu tun, sondern ist die Meinung der autoren.
  • DrDeath 13.07.2020 19:57
    Highlight Highlight Es ist ein grosser Fehler, sich beim Gedanken an den Energiespeicher nur auf den klassischen Akku zu fokussieren. Es gibt andere, weniger problematische Speichertechnologien, die bei weitem leichter weiterzuentwickeln sind.

    Die einzige wirkliche Domäne von klassischen Akkus ist die transportable Speicherung. Ortsfest kann Energie z.B. mechanisch (Schwungradspeicher), potentiell (Pumpspeicher) oder chemisch (Elektrolyse) gespeichert werden.

    Mit solchen Technologien lässt sich der Bedarf an klassischen Akkumulatoren reduzieren, und damit auch der Verbrauch an seltenen Erden und Lithium.
    • Matrixx 13.07.2020 20:52
      Highlight Highlight Man muss nicht zwingend auf Batterien verzichten.
      Sobald mehr Elektrofahrzeuge kommen, kommen auch mehr Batterien. Diese Batterien als Second-Life nutzen, verdoppelt die Lebensdauer einer Batterie und macht sie somit ökologischer.
      D.h. statt dass man neue Batterien für Solaranlagen herstellt, nutzt man alte aus Fahrzeugen, dafür sind sie ausreichend.
    • Stesla 13.07.2020 21:21
      Highlight Highlight Nicht zu vergessen, dass man die Materialien nach dem «Second Life» Zyklus schon heute fast vollständig recyceln kann. Der Rohstoff steht also - im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen - zeitlich fast unlimitiert zur Verfügung, wenn er einmal abgebaut ist. Und besonders krass finde ich die Tatsache, dass in einem 600kg Auto-Akku von Tesla weniger als 10kg Lithium und Kobalt verbaut sind. Wenn man das dann zeitlich fast unbegrenzt nutzen kann ist das schon erstaunlich. Zumindest wenn man es mit der Lebensdauer von 10L Benzin vergleicht :-)!
    • Do not lie to mE 13.07.2020 21:22
      Highlight Highlight Nun nur so zum Vergleich für 1000 Km Reichweite (Mittelklassewagen) brauchen sie in etwa 60 Kg (Diesel +Tankhülle) für ein Wagen mit Bleibatterie 13.5T und LiB immerhin noch 2.5T. Die sind ja dann noch leer. Für eine Bundesweite Netzabdeckung benötigen sie in etwa 20 Grosskraftwerke (E-LKW nicht gerechnet).
    Weitere Antworten anzeigen
  • Erklärbart. 13.07.2020 19:51
    Highlight Highlight Beim Lesen des Titels ist mir gleich der Tesla Roadster in den Sinn gekommen der gerade auf dem Weg zum Mars ist.

    Der Antrieb der Rakete... warum kann man diesen nicht für herkömmliche Autos nutzen? Natürlich viel kleiner und sicherer. Klar, teuer in der Anschaffung, aber dafür nie mehr tanken müssen, bis das Auto "den Geist" aufgibt. Nimmt man die Distanz von der Erde zum Mars, dürfte das sehr lange halten...

    Gut, ich fürchte ich kenne die Antwort: Automobil- und Erdölindustrie sind dagegen? Aber letztere sind auch gegen E-Mobilität, trotzdem gibt es da grosse Fortschritte.
    • Lienat 13.07.2020 20:30
      Highlight Highlight Hier liegen die Probleme ausnahmsweise in der Physik und nicht bei der Erdöllobby. Dieser Roadster wurde durch eine Rakete auf eine ballistische Bahn gebracht und folgt dieser jetzt ohne Antrieb. Er befindet sich also sozusagen im freien Fall Richtung Mars. Der Raketenantrieb ist übrigens so ziemlich das ineffizienteste, was es gibt. Der erzeugt im Wesentlichen nur Wärme und quasi als Nebeneffekt noch ein Wenig Schub. Deshalb macht der Treibstoff bei einer Rakete auch den grössten Teil der Startmasse aus.
    • Roeger 13.07.2020 20:31
      Highlight Highlight Du weisst aber schon, dass mit steigendem Abstand zur Erde der Antrieb eigentlich inaktiv bleibt, bis auf den einen (letzten Impuls)? Impulsersatz und so ist Dir ein Begriff? Oder plädierst Du ernsthaft für einen chemischen Feststoff-Raketenantrieb im Strassenverkehr? ;-)
    • voni2 13.07.2020 20:36
      Highlight Highlight Der Tesla wurde mit einer Falcon Heavy Rakete ins All geschossen. Als Treibstoff diente ein Gemisch aus Kerosin und flüssigem Sauerstoff.
    Weitere Antworten anzeigen
  • DrPop 13.07.2020 19:43
    Highlight Highlight Danke für diesen Artikel! Ich glaube eine effizientere Batterietechnologie wäre mit der wichtigste Fortschritt in Richtung einer ökologischeren Gesellschaft.

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