Batterien: Natrium oder Aluminium statt Lithium

Weltweit suchen Wissenschaftler nach Alternativen zu Lithium-Akkus. Als vielversprechend gelten Natrium- oder Aluminium-Ionen-Batterien. Dabei gibt es aber noch Hürden zu nehmen. In  Projekten wird  an Lösungen gearbeitet.

Bisher beruhen elektrische Batterien, die E-Autos antreiben, als stationäre Stromspeicher dienen oder für industrielle Anwendungen genutzt werden, fast ausschließlich auf der Lithium-Ionen-Technologie. Bei allen Vorzügen besitzt das Batteriematerial Lithium auch Nachteile: Die globalen Reserven des Alkali-Metalls sind begrenzt. Sein Abbau aus Salzwasser ist kostspielig und wenig umweltschonend. Zudem benötigen Lithium-Batterien aktuell für die Elektroden Cobalt und Nickel – Metalle, die ebenfalls unter problematischen Bedingungen abgebaut werden bzw. giftig sind.

Natrium-Ionen-Batterien

Alternativen sind daher gefragt. Natrium-Ionen-Batterien sollen eine „Drop-in-Technologie“ sein, also auf die gängige Batterieproduktion übertragbar sein. Zudem benötigen sie weder Cobalt noch Nickel. Vor allem aber ist Natrium als natürlicher Bestandteil von Kochsalz leicht verfügbar. Als Schwachstelle von Natrium-Ionen-Batterien gilt bislang jedoch das Material des „Pluspols“, vereinfachend auch als Anode bezeichnet. Dieses Material ist der „Tank“ einer elektrischen Batterie, es soll im geladenen Zustand möglichst viele positive Natrium-Ionen speichern können. Somit ist es entscheidend für die Effizienz des Akkus.

An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) startet jetzt ein Berliner Kooperationsprojekt, das sich der Suche nach einem geeigneten Anoden-Material widmet, um die Natrium-Ionen-Technologie voranzubringen.  Beteiligt an dem Projekt sind auch das Helmholtz-Zentrum Berlin und die TU Berlin sowie mehrere Unternehmen, die sich auf Kohlenstoffmaterialien für Batterien spezialisiert haben.

Aluminium-Ionen-Batterien

Am Fraunhofer THM wird schon einige Jahre an Aluminium-Ionen-Batterien (AIB) als Weiterentwicklung der Lithiumtechnologie geforscht. Aluminium-Ionen-Batterien sollen kostengünstig sein und ein hohes Maß an Sicherheit bieten, ohne eine Brandgefährdung wie sie beim Einsatz von Lithium besteht. Zudem haben sie eine theoretisch vierfach höhere volumetrische Energiedichte als metallisches Lithium sowie weitere Vorteile. Ulrike Wunderwald, Leiterin der Arbeitsgruppe Batteriematerialien des Fraunhofer IISB: „In unseren Laborsystemen wurden mit Graphitpulver als Kathode bereits Energiedichten von 135Wh/kg in Bezug auf die Aktivmasse gezeigt. Die Batterie kann in einer Zeit von weniger als 30 Sekunden voll ge- und entladen werden. Der Prozess ist reversibel und wir haben mit den Laborzellen bereits über 10.000 Zyklen mit einer Ladeeffizienz von mehr als 90 % erreicht. Unsere neuesten Ergebnisse zeigen, dass auch noch mehr als doppelt so viele Ladezyklen möglich sind. Das liegt ganz deutlich über dem, was etablierte Lithium-Ionen-Batterien ausweisen.“

Eine realistische Anwendung, die schon in wenigen Jahren gelingen könnte, wären beispielsweise hochdynamische Netzspeicher in stationären Systemen, da hier in der Regel kostengünstige Zellen mit hoher Leistungsdichte benötigt werden.