"Da sieht man schön, wie die Lithium-Ionen in die Schichten eindringen können. Über mehrere Zyklen kann man sich das anschauen und Erkenntnisse gewinnen, wie stabil die Materialien sind, wie generell der Mechanismus der Speicherung abläuft."Erkenntnisse, die helfen, die Technik Schritt für Schritt zu optimieren. "Im Augenblick haben wir zwei Ziele, die sich ein bisschen widersprechen. Das eine Ziel ist, die Batterie immer besser zu machen. Und das andere Ziel ist, im Auge zu haben, dass die Ressourcensituation sich verschärfen wird den nächsten Jahren."Batterieherstellung verschlechtert die Klimabilanz
Maximilian Fichtner ist der Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm. Die Batterieherstellung kostet viel Energie, was die Klimabilanz von Elektroautos verschlechtert. An der energieintensiven Herstellung wird sich nur wenig ändern lassen, meint Fichtner.
"Aus meiner Sicht ist die Lösung eher so, dass wir unser Stromsystem entsprechend anpassen. Idealfall wäre es so was wie Norwegen, die haben über 90 Prozent Wasserkraft. Wenn Sie die Herstellung mit erneuerbaren Energien machen, sieht der Footprint völlig anders aus."Und: In Batterien stecken Rohstoffe, die, sollte jeder ein Elektroauto fahren, knapp werden könnten. Und das gilt nicht nur fürs Lithium."Das bezieht sich insbesondere auf das Element Kobalt. Kobalt ist im Pluspol in der Batterie drin. Kobalt wird im Augenblick größtenteils über Kinderarbeit im Kongo gewonnen. Als erstes versucht man, diesen Kobaltgehalt zu reduzieren, hoffentlich bis auf null. Da ist aber nicht sicher, ob man gleichzeitig auch die Speicherkapazität, die wir im Augenblick haben, erhalten kann bei den kobaltfreien Materialien."
Nickel ist eine naheliegende Alternative, meint Fichtner. Doch langfristig können auch die Nickelreserven knapp werden, außerdem sind Nickelstäube giftig. Deshalb arbeiten die Forscher an neuen Ansätzen – an Batterien, die ohne Lithium funktionieren und auch kein Kobalt und kein Nickel benötigen. Eine Alternative: Natrium, sagt Fichtners Kollegin Franziska Klein."Natrium finden wir überall, vor allem im Meer gelöst. Natrium ist das Element, das am siebthäufigsten in der Erdkruste vorkommt, und Lithium ist auf Platz 26." Aber: Natrium ist chemisch reaktiver als Lithium – ein Problem für die Sicherheit. Eine Herausforderung, die die Fachwelt allmählich in den Griff zu bekommen scheint.
"In Japan gibt es schon erste Überlegungen, dass Natriumionenbatterien auf den Markt gebracht werden können. Dass es sehr zeitnah auf den Markt kommt."Ionen von Magnesium können mehr Elektrizität aufnehmen
Zwar versprechen Natriumbatterien Ressourcenvorteile, aber nicht unbedingt höhere Reichweiten als die heutigen Lithium-Akkus. Deshalb suchen Fachleute wie Maximilian Fichtner weiter: "Es gibt einige alternative Systeme, die in großer Menge verfügbar sind auf der Erde, wie Kalzium, Magnesium, Aluminium, die zumindest auf dem Papier deutlich höhere Speicherkapazitäten versprechen."Der Hintergrund: Anders als bei Lithium oder Natrium sind die Ionen von Magnesium nicht einfach, sondern doppelt geladen, können also mehr Elektrizität aufnehmen.
"Wir arbeiten zum Beispiel an einer Magnesium-Schwefel-Zelle. Schwefel bekommen sie praktisch zum Nulltarif. Es gibt weltweit Millionen von Tonnen Schwefel aus Entschwefelungsanlagen. Magnesium – die Hälfte der Dolomiten besteht aus Magnesium – ist auch in großer Menge verfügbar. Und wenn ich die nackten Zahlen vergleiche von einer Magnesium-Schwefel-Zelle mit einer Lithium-Schwefel-Zelle, dann könnte eine Magnesium-Schwefel-Zelle im Volumen dreimal so viel Energie speichern wie eine Lithium-Schwefel-Zelle."
In einem Verbundprojekt wollen Fichtner und seine Leute nun die weltweit ersten größeren Magnesium-Schwefel-Zellen herstellen. Aber:"Da gibt es noch Probleme. Es ist immer noch so, dass wir deutlich mehr Spannung anlegen müssen beim Beladen, als dass wir hinterher herausbekommen. Das heißt da gibt es noch Widerstände in der Batterie, die wir im Augenblick noch gar nicht richtig verstehen. Da ist noch Forschung erforderlich, damit es am Ende alles auch kommerziell Sinn macht."Kommerziell Sinn machen – das würde wohl auch eine andere Maßnahme. Heute nämlich werden die Batteriezellen fast ausschließlich in Asien produziert. Keine gute Voraussetzung für einen Durchmarsch der Elektromobilität in Europa, meint Fichtner.
"Weil die großen Batteriemengen, die wir hier in Europa benötigen werden, kann man nicht alle immer antransportieren. Das ist aber schon in Arbeit. Es ist es so, dass große asiatische Hersteller anfangen mit Anlagen in Europa, die zu planen, die aufzubauen. Allerdings nicht in Deutschland, sondern in Polen und Rumänien."Das europäisches Konsortium TERRA E will nun Ende 2019 eine eigene Produktion etablieren, der Standort soll in Deutschland liegen. Anfang März gab es aber auch einen Rückschlag: Der Elektronikkonzern Bosch hat angekündigt, sich aus der Batterieforschung zurückzuziehen. Die Investitionen seien schlicht zu hoch, um es mit der Konkurrenz in Asien aufzunehmen.
Aus Sicherheitsgründen aufs Dach des MEET verlagert
Wir steigen aufs Dach des Batterieforschungszentrums MEET in Münster, Peter Bieker will zum Schluss noch etwas Besonderes zeigen – graue Container mit wuchtigen Türen und Warnschildern."Das sind Teststände für größere Testzellen, wir können hier Zellen bis zu 400 Amperestunden, also wirklich große Zellen testen, die teilweise schon im Auto drin waren oder die ins Auto rein sollen."Ein Härtetest für ausgewachsene Batterien. Zuweilen werden sie hier bis an ihre Grenzen belastet. Entsprechend hoch sind die Sicherheitsvorkehrungen."Jede Zelle hat eine eigene Kammer. Sollte es zu einem Brand kommen, wird diese Kammer sofort mit Argon geflutet und der Brand gelöscht. Deswegen steht das Ganze hier oben auf dem Dach. Wenn irgendwas passiert, dann hier im Container und nicht unten im Labor."
Im Labor mit den kleinen Prototypen umzugehen, sei eine Sache – mit großen, praxisnahen Systemen eine andere, meint der Forscher."Und wir haben noch ein Labor, das steht hinten auf der grünen Wiese. Da werden die Zellen absichtlich kaputtgemacht. Zum Beispiel einen Nagel durch die Zelle geschossen, und dann wird geguckt, was mit der Zelle passiert.""Quant E sport limousine is a full electric car, powered with a flow battery called Nanoflowcell…"Auf einer Automesse steht der Prototyp eines Supersportwagens: extrem flach, extrem windschnittig, die Flügeltüren hochgeklappt. Nunzio La Vecchia, Inhaber der kleinen Schweizer Firma Nanoflowcell, hebt vorsichtig die Motorhaube an. Darunter schlummert kein fetter Zwölfzylinder, sondern ein Tank – Bestandteil eines vermeintlich revolutionären Batterietyps, der Flusszellenbatterie: Bei ihr steckt die Energie nicht in den Elektroden, sondern im Elektrolyt, einer Art Salzwasser.
"For filling up the systems you need not more time than a conventional car…"Statt die Batterie stundenlang aufladen zu müssen, genüge es einfach den Elektrolyten nachzutanken – behauptet La Vecchia. Und erst die Reichweite: 1000 Kilometer an einem Stück soll die Schweizer Wunderbatterie durchhalten. Zu schön, um wahr zu sein - meint manch ein Fachmann."Wenn man sich alle Parameter, die angegeben sind, von den Beschleunigungswerten, Fahrzeuggewichten, Reichweiten, Spitzengeschwindigkeiten anschaut, dann ist einfach zu viel Widerspruch in den Zahlen. Das passt einfach alles nicht zueinander."
Jens Tübke steht in einer Halle seines Instituts, dem Fraunhofer ICT in Pfinztal. Wie Nanoflowcell in der Schweiz arbeitet auch er an der Flusszellenbatterie, auch Redox-Flow-Batterie genannt. Doch Tübkes Batterie füllt eine Halle – es ist ein Prototyp, der die Energie eines Windrads zwischenspeichert. Der Elektrolyt lagert in riesigen Tonnen, zusammen haben sie das Fassungsvermögen eines Hallenbadbeckens. Das ist der Nachteil der Flusszellenbatterie: Ihre Energiedichte ist zu gering für ein Elektroauto."Wir sind heute noch eine Größenordnung davon entfernt. Und es ist auch nicht abzusehen, dass man damit auf entsprechend notwendige Energiedichten kommt. Das macht für mobile Anwendungen keinen Sinn."
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