Batterien für Elektro-Autos: Mit Luft und Lithium - der Akku der Zukunft?
Ein neuartiger Akku, der eine große Reichweite hat und viele Ladezyklen übersteht, könnte Elektroautos zum Durchbruch verhelfen. Doch die Technik hat ihre Tücken.
Autos, die mit Erdölprodukten angetrieben werden, haben keine Zukunft. Denn in der Zukunft soll alles elektrisch rollen. Das klingt vernünftig, angesichts endlicher Ressourcen und dem voranschreitenden Klimawandel, an dem auch der Straßenverkehr seinen Anteil hat. Doch die Elektromobilität kommt nur schleppend voran. Eine Million E-Autos wollte die Bundesregierung in fünf Jahren auf deutschen Straßen sehen. Bisher sind gerade 9000 zugelassen, von den urzeitlichen DDR-Zweitaktern namens „Trabant“ sind noch dreimal so viele unterwegs.
Mehr als 2000 Ladezyklen macht die neue Batterie mit
Einer der Gründe, warum so wenige Elektroautos verkauft werden, ist ihre geringe Reichweite: Für die meisten Fahrten im Alltag genügt sie, aber eben nicht für alle Touren. Seit Jahren arbeiten Forscher an einem Batterietyp, der theoretisch zehnmal so viel Energie speichern und abgeben kann wie die bisherigen Lithium-Ionen-Akkus. Damit wären die Elektroflitzer eine ernsthafte Konkurrenz zu Kombis mit 60-Liter-Tank.
„Lithium-Luft-Batterie“ heißt die Technik, die der Elektromobilität zum Durchbruch verhelfen könnte – wenn es in der Praxis nicht so viele Hindernisse gäbe. Ein wichtiger Schritt ist nun Clare Grey und Kollegen von der Universität Cambridge gelungen. Sie haben eine Batterie gebaut, die über mehr als 2000 Ladezyklen ihren Job machte, berichtet das Team im Fachblatt „Science“. Bisherige Lithium-Luft-Akkus hatten bereits nach ein paar Dutzend Zyklen schlappgemacht.
Die „Akkus der Zukunft“ funktionieren folgendermaßen: Von einer Lithium- Anode bewegen sich Lithium-Ionen durch eine Elektrolytlösung zur Kathode. Dort reagiert das Lithium mit Sauerstoff aus der Luft zu einem festen Oxid. Dabei wird zwar viel Strom abgegeben, doch das Oxid setzt rasch die Kathode zu und alsbald ist der Akku hinüber. Grey und Kollegen haben ihrer Batterie zusätzlich Lithiumjodid und Wasser hinzugefügt, so laufen etwas andere chemische Reaktionen ab. Weiterhin haben sie für die Kathode das hoch poröse Kohlenstoffmaterial Graphen benutzt. Ihr Prototyp schaffte Hunderte Ladezyklen bei gleichbleibend hoher Effizienz.
Ein zusätzlicher Sauerstofftank im Auto wäre ein Problem
Bis zum praktischen Einsatz sei es aber noch sehr weit, geben die Forscher zu. Einige Probleme der vermeintlichen Superbatterie konnten sie lösen, andere bleiben bestehen. Ihr Prototyp arbeitet beispielsweise mit reinem Sauerstoff, der zugeführt werden muss, anstatt mit Luft. Im Labor ist das kein Problem, bei einem Auto sehr wohl, schließlich wäre dann ein zusätzlicher Behälter für das Gas vonnöten.
„Sauerstoff direkt aus der Luft zu gewinnen, ist wiederum sehr aufwändig, denn er ähnelt stark dem Stickstoff, der ebenso enthalten ist“, sagt Lorenzo Grande vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der ebenfalls an Lithium-Luft-Batterien forscht, an der aktuellen Studie aber nicht beteiligt ist. Die Wissenschaftler müssen also einen Weg finden, dass ihre Batterie gewöhnliche Luft „atmen“ kann, ohne dass deren Bestandteile wie Stickstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid weitere chemische Reaktionen auslösen, die dann die Leistungsfähigkeit des Akkus schmälern.
Zweifel an der Machbarkeit solcher Batterien
KIT-Forscher Grande kritisiert zudem an der Studie, dass die Menge an Graphenoxid für die Kathode ziemlich gering ist. „Auf diese Weise kann man zwar viele Ladezyklen erreichen, die Kapazität der Batterie ist dann aber geringer.“ Sinnvoll wäre es, die zehnfache Menge zu verwenden, sagt Grande. Doch dann würde die Zahl der Zyklen deutlich zurückgehen. Für ihn ist klar: „Es wird noch einige Jahre dauern, bis Lithium-Luft-Batterien praxistauglich sind.“
Manche Experten bezweifeln, dass es jemals gelingt, solche Batterien wirklich zum Laufen zu bringen. Oder dass sie viel Aufwand erfordern, beispielsweise zusätzliche Bauteile, die die Luft reinigen und speichern – was extra Platz kostet, wie der Materialforscher George Crabtree vom Argonne National Laboratory in Illinois warnt. „In der Praxis werden diese Batterien niemals die zehnfache Energiedichte von herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus erreichen“, meint er.
Auch herkömmliche Akkus werden von Jahr zu Jahr effizienter
Selbst bei diesen Standard-Speichern, die heute massenhaft in Handys, Laptops und Autos eingebaut sind, gelingen Forschern immer wieder Verbesserungen. Crabtree zufolge wurden sie jedes Jahr um fünf bis zehn Prozent effizienter. Derzeit arbeiten die Entwickler vor allem an den Anoden. Während des Ladens nehmen sie Lithiumionen auf und geben sie beim Entladen wieder ab. Bisher werden Anoden aus Graphit (Kohlenstoff) gebaut. Doch die können nur eine begrenzte Zahl an Lithiumionen aufnehmen. Anoden aus Silizium hingegen können bis zu zehnmal so viel Lithium in gleicher Zeit unterbringen, allerdings schwellen und schrumpfen sie bei einem Ladezyklus um bis zu 300 Prozent.
Energiedichte um bis zu 60 Prozent gesteigert
Damit die Akkus nicht zerstört werden, entwickeln Forscher schwammartige Strukturen oder Nanofasern aus Silizium, die aus der Anode herausragen und beim Anschwellen keinen Schaden anrichten. Im September hat ein Team der Universität im kanadischen Waterloo in „Nature Communications“ eine Nanostruktur aus Silizium, Kohlenstoff und einem Polymer vorgestellt. So könnte die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus um bis zu 60 Prozent gesteigert werden, sagen die Forscher. Auch damit ließen sich Elektroautos ein gutes Stück weiterbringen.