Batterie-Hersteller, Forschungsinstitute und Automobilkonzerne liefern sich ein Wettrennen um neue Akku-Konzepte für E-Autos. Keine Frage, noch hat die Lithium-Ionen-Batterie die „Nase vorn“. Das Alkalimetall steht aber zugleich wegen umweltschädigender Gewinnung des Materials in starker Kritik.
Jede Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einer negativen Anode, zumeist aus Grafit, und einer positiven Kathode. Dazwischen transportiert ein flüssiger, ionenleitender Elektrolyt die namensgebenden Lithium-Ionen beim Lade- und Entladevorgang zwischen den Elektroden. Die Kathode besteht neben Lithium aus Materialien wie Eisen, Mangan, Kobalt oder Nickel.
Sie steht im Zentrum vieler Forschungsaktivitäten, denn ihre genaue Zusammensetzung bestimmt maßgeblich Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Ladezeiten. Denn auch der Lithium-Ionen-Akku hat Nachteile, die man nur zu gern überwinden möchte durch Akkus:
- mit größerer Reichweite
- mit kürzerer Ladezeit
- mit geringerem Gewicht
- mit längerem Lebenszyklus
- die kostengünstiger sind
- die aus häufig vorkommenden und leicht förderbaren Materialien bestehen
- die ohne seltene Erden auskommen
- die unabhängiger von Außentemperaturen sind
- die sich leichter recyclieren lassen.
Der 30 Jahre alte Lithium-Akku wurde lange weiterentwickelt, bis er marktreif war. Nach Ansicht von Experten hat der Lithium-Akku ein nicht ausgeschöpftes Potenzial. So berichtete Autobild am 16.10.2023 unter anderem über einen Lithium-Polymer-Akku, dessen Kapazität und damit Reichweite eines E-Autos um das Zehnfache höher wäre als heute.
Gleichwohl wird weltweit intensiv an der Entwicklung neuer Elektrolyte geforscht. Einen großen Entwicklungssprung machte der Natrium-Ionen-Akku, der ohne teure und seltene Rohstoffe wie Lithium, Kobalt, Kupfer und Nickel auskommt und somit deutlich preiswerter herstellbar ist. Dieser Akku soll schneller aufladbar sein und weniger unter Minusgrade leiden. Sein Gewicht ist aber weiterhin beträchtlich, so dass sein Einsatz voraussichtlich auf große Fahrzeuge wie LKWs und insbesondere auf stationäre Energiespeicher beschränkt bleibt. Noch läge die Energiedichte rund 40 Prozent unter der eines Lithium-Akkus, es bestünde aber berechtigte Aussicht eine Leistungsdichte von 200 Wh/kg zu erreichen. Die Riesenvorteile: Natrium steht in Form von Kochsalz in gewaltigen Mengen zur Verfügung, der Akku kann weder brennen noch explodieren, ist folglich sicherer.
So entwickelte zum Beispiel das Fraunhofer-Institut für keramische Technologien und System (IKTS) [1] – abweichend von konventionellen Lithium und auch Natrium-Ionen Batterien – einen Batterietyp mit Festelektrolyten aus einer speziellen Natrium-Ionen leitfähigen Keramik als Herzstück der Batteriezelle. Er wird mit einer metallischen Natrium-Anode und einem leistungsfähigen Kathodenpulver auf Basis von Übergangsmetalloxiden zu einer sogenannten »All Solid State«-Batteriezelle kombiniert. Gegenüber dem üblichen Flüssigelektrolyten birgt diese Batteriezelle keine hohe Brandlast, das Gefährdungspotenzial ist stark reduziert. Auch hat die metallische Natrium-Anode den Vorteil einer sehr hohen erreichbaren Energiedichte, da auf zusätzlichen Kohlenstoff, wie in handelsüblichen Batteriezellen, verzichtet werden kann [1].
Einen Überblick über diverse Batterien-Entwicklungen auf Natrium-Basis brachte das Handelsblatt vom 12.10.2023 in ihrem Artikel „Warum E-Autos bald günstiger und ökologischer werden“.
Allerdings, das – unverändert – erhebliche Gewicht der Natrium-Ionen-Batterien wird dem Einsatz bei E-Autos der PKW-Klasse Grenzen setzen. Im Ortsverkehr mit geringen Reichweiten und entsprechend dimensionierten Batterien wäre ihr Einsatz denkbar. Wie bereits erwähnt, für stationäre Energiespeicher ergäben sich erhebliche finanzielle Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien.
Doch um den Blick für Relationen nicht zu verlieren, sollten folgende Fakten nicht vergessen werden:
Selbst, wenn es TESLA gelingen sollte, die angekündigte 360 Wh pro Kilogramm Batterie zu entwickeln, Benzin von einem Kilogramm hat hingegen eine Energiedichte von rund 11500 Wh. Dies war vor über 100 Jahren auch der Grund, warum batteriebetriebene Autos gegenüber Verbrennermotoren nicht zum Zuge kamen.
[1] https://www.ikts.fraunhofer.de/de/presse/pressemitteilungen/2021_12_14_n_kenab-art.html