Energie für die Revolution

Der nächste große Entwicklungssprung für Stromspeicher steht kurz bevor – geschuldet ist er dem Durchbruch in der Konstruktion neuer Lithium-Sauerstoff-Batterien.

Die Suche nach Batterien für die nächste Generation elektrisch angetriebener Fahrzeuge hat ordentlich Fahrt aufgenommen. Tesla-Gründer Elon Musk hat gerade seine neue, fünf Milliarden Dollar teure „Gigafabrik“ in Nevada eröffnet, die künftig günstige Lithium-Ionen-Akkus für eine halbe Million elektrischer Fahrzeuge im Jahr herstellen soll. Tesla, Jaguar und General Motors bringen aktuell allesamt stromgetriebene Autos mit mehr als 200 Meilen (302 Kilometern) Reichweite auf den Markt.

Neue Forschungsansätze sorgen in kleinen Schritten für Verbesserungen bei der Akkutechnik im Lithium-Ionen-Bereich. Gleichzeitig werben US-Start-ups wie Amprius, Enovix und Envia zig Millionen Dollar Startkapital für die Weiterentwicklung von Silikon-Anoden-Batterien ein. Aber letztlich ist die Speicherkapazität konventioneller Lithium-Ionen-Akkus bei allen technologischen Fortschritten begrenzt.

Viele Projekte, ein Favorit

Von daher laufen zur Zeit viele Forschungsprojekte, um mögliche Alternativen zur Marktreife zu bringen. Gäbe es Wettquoten, so wäre aktuell eine Variante der Lithium-Luft-Technologie (Li-Air) der Favorit. Im Vergleich mit Li-Ion-Technik bietet dieser Akkumulatorentyp zwischen dem fünf- und 15-fachen der Speicherkapazität. Damit ist er eine gewichtssparende Lösung mit der Energiedichte im Bereich von Benzin. Li-Luft-Akkumulatoren würden einem Mobiltelefon eine Woche Laufzeit verleihen oder einem Auto 400 Meilen (644 Kilometer) Reichweite geben, ein klarer Vorteil gegenüber den 300 Meilen (483 Kilometern) eines entsprechenden Li-Ion-Akkus. Der Batterietypus eignet sich auch zur Speicherung von Solarenergie. Befürworter der weiteren Entwicklung dieser Technologie sind der Meinung, dass hier die größten Potenziale für deutliche Fortschritte im Bereich Batterielebensdauer liegen.

An der Entwicklung von Lithium-Luft-Batterien arbeiten Ingenieure bereits seit 40 Jahren, scheiterten dabei aber bislang immer wieder an größeren Hindernissen. Im letzten Sommer verkündeten chinesische und US-Forscher aber, einen Weg um die größten Klippen herum gefunden zu haben. Damit könnten sie ein neues Zeitalter höchst effizienter Batterien eingeläutet haben.

Sauerstoffeinschluss

Den neuen Ansatz bei der Entwicklung von Lithium-Luft-Batterien entwickelte Ju Li vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) gemeinsam mit Forscher des Argonne National Laboratory und der Universität Peking. Sie beschrieben das Verfahren in der Fachzeitschrift Nature Energy.

Normalerweise arbeiten Lithium-Luft-Akkus, in dem sie während des Entladezyklus Sauerstoff aus der Umgebungsluft als Reaktionsmedium für das enthaltene Lithium nutzen. Wird die Batterie aufgeladen, kehrt sich dieser Prozess um und der Sauerstoff wird wieder an die Atmosphäre abgegeben. Der Nachteil dabei: Die ausgegebene Spannung liegt in der Regel mehr als 1,2 Volt unter der Spannung, die zum Laden benötigt wird. Ein ziemlich großer Energieverlust also, der bei jedem Ladezyklus eintritt. „30 Prozent der elektrischen Energie geht beim Laden verloren und wird direkt in Hitze umgewandelt. Der Akku kann tatsächlich anfangen zu brennen, wenn er zu schnell aufgeladen wird“, erklärt Li.

Der neue Ansatz integriert den Sauerstoff in der Batteriezelle, allerdings grundsätzlich in fester Form. Ein Wechsel zwischen gasförmigen und festem Zustand findet nicht mehr statt. Der Sauerstoff wird nie gasförmig, daher wird keinerlei Energie mehr für den Wechsel des Aggregatzustandes verwendet.

Das Resultat: Schnellere Ladezeiten und weniger Energieverlust durch Hitze. Anstelle von bislang 30 Prozent gehen lediglich acht Prozent der Ladeenergie für den eigentlichen Vorgang verloren. Da die Akkus durch den natürlichen Prozess der chemischen Reaktion im Innern auch vor Überladung geschützt sind prophezeit Li auch eine deutlich längere Lebensdauer.

Im Lauf der Jahre haben sich dutzende Forschungsprojekte mit möglichen Verbesserungen der Lithium-Luft-Technologie befasst. Einige Spezialisten sehen in Ju Li’s Ansatz aber die größten Chancen für ein marktreifes Produkt der Zukunft. Das Team um den Forscher spricht jedenfalls davon, innerhalb eines Jahres einen praxistauglichen Prototypen entwickeln zu können.

Dieser Beitrag wurde zuerst in Delivered. The Global Logistics Magazine veröffentlicht.

Autor: David Benady

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