Eine Einführung

Schatz, wir müssen reden. Was wir mit «Das Auto – jetzt und bald» angefangen hatten, führen wir heute fort: Gedanken zur automobilen Zukunft. Um eine Basis zu schaffen, wollen wir erst einmal die Energiespeicher erklären. Denn: Energie speichern können ist der Schlüssel. Viel weniger interessant ist die Erzeugung, das können wir bereits überraschend gut.

Smartphone, Notebook, Uhr, Fernbedienung und Zahnbürste, elektrisch betriebene U-Boote, Kommunikations- und Forschungssatelliten im All, Notstrom in Krankenhäusern – Akkutechnologie ist so jung nicht. Aber könnten wir morgen in ein batteriebetriebenes Flugzeug steigen, oder in einer Stadt leben die nachts mit Sonnenenergie versorgt wird?

Basiswissen

Batterien wandeln (gespeicherte) chemische Energie in elektrische Energie um, sie bestehen dabei aus drei Hauptkomponenten:

(-) Anode: Die negative Elektrode, die oxidiert wird und Elektronen freisetzt.
(+) Kathode: Die positive Elektrode, die durch die Aufnahme von Elektronen reduziert wird.
Elektrolyt: Das Medium, das den Ionentransportmechanismus zwischen der Kathode und der Anode einer Zelle bereitstellt. Es kann dabei flüssig oder fest sein.

Auf der einfachsten Ebene sind die Batterien sehr simpel. Tatsächlich kann eine primitive Batterie sogar mit einem Kupfer-Cent, einem verzinkten Nagel und einer Zitrone hergestellt werden. Sie kennen das sicher von früher aus dem Lernbaukasten oder dem Physikunterricht. Danach wird es allerdings komplexer. Leider.

Die Entwicklung

Die Herstellung einer guten Batterie ist schwierig. Das Gleichgewicht von Kraft, Gewicht, Kosten und anderen Faktoren erfordert viele Kompromisse. Das für uns heute bekannte Effizienzniveau, also: das unser iPhone nur einmal am Tag an die Steckdose muss und die Zoe 200 Kilometer weit fahren kann, hat immerhin zweihundert Jahre intensiver Forschung bedeutet. Zwei (!) Jahrhunderte. Es begann hiermit:

Voltasche Säule (1799)

Der italienische Physiker Alessandro Volta schuf 1799 die erste elektrische Batterie, die einen Stromkreis mit kontinuierlichem Strom versorgen konnte. Die Voltasche Säule verwendete Zink und Kupfer für die Elektroden mit dazwischenliegendem salzhaltigen Papier als Elektrolyt. Seine Erfindung widerlegte die gängige Theorie, dass Elektrizität nur von Lebewesen erzeugt werden kann.

Daniell’sches Element (1836)

Etwa 40 Jahre später schuf der britische Chemiker John Frederic Daniell eine neue Zelle, die das Problem der „Wasserstoffblase“ der Voltaschen Säule lösen sollte. Dieses Problem, bei dem sich Blasen auf dem Boden der Zinkelektroden angesammelt hatten, begrenzte die Lebensdauer und den Gebrauch der voltaschen Erfindung. Die Daniell-Zelle verwendete einen mit Kupfersulfatlösung gefüllten Kupfertopf, der weiter in einen mit Schwefelsäure und einer Zinkelektrode gefüllten Steingutbehälter eingetaucht wurde. Das elektrische Potential der Daniell’schen-Zelle wurde zur Basiseinheit für die Spannung, die einem Volt entspricht.

Blei-Säure (1859)

Die Blei-Säure-Batterie war die erste wiederaufladbare Batterie, die 1859 vom französischen Physiker Gaston Planté erfunden wurde. Blei-Säure-Batterien zeichnen sich in zwei Bereichen aus: Sie sind sehr kostengünstig und können auch hohe Stoßströme liefern. Damit sind sie auch heute noch Stand der Technik als Starterbatterien in Fahrzeuganwendungen – und der Grund, warum jährlich weltweit für über 45 Milliarden Dollar Blei-Säure-Batterien verkauft werden. Noch einmal zur Verdeutlichung: die Technologie unserer heutigen Starterbatterien ist über 160 Jahre alt.

Nickel-Cadmium (1899)

NiCd-Akkus wurden 1899 von Waldemar Jungner in Schweden erfunden. Die ersten waren „Nasszellen“ ähnlich wie Blei-Säure-Batterien, die einen flüssigen Elektrolyten verwendeten. Nickel-Cadmium-Batterien haben den Weg für moderne Technologien geebnet, werden aber aufgrund der Toxizität von Cadmium immer seltener eingesetzt. NiCd-Akkus verloren in den 1990er Jahren 80% ihres Marktanteils und sind heute weitgehend verboten.

Alkalibatterien (1950er Jahre)

Den Duracell-Hasen kennt jeder, auch Energizer hat eine starke Marke aufgebaut. Mit der Alkalibatterie feierte die Haushaltskleinelektronik ihren Siegeszug. So werden die kleinen Kraftpakete in normalen Haushaltsgeräten verwendet, von der Fernbedienung bis zur Taschenlampe. Sie sind preiswert und in der Regel nicht wiederaufladbar. Die moderne alkalische Batterie wurde in den 1950er Jahren vom kanadischen Ingenieur Lewis Urry erfunden. Durch die Verwendung von Zink und Manganoxid in den Elektroden erhält der Batterietyp seinen Namen nach dem verwendeten alkalischen Elektrolyten: Kaliumhydroxid. Die weltweite Jahresproduktion geht in die Milliarden.

Nickel-Metallhydrid (1989)

Die Nickelmetallhydrid-Batterie ähnelt der NiCd-Zelle stark. Sie verzichtet schlicht auf das giftige Cadmium und ersetzt es durch eine Wasserstoff-absordbierende Legierung, den Metallhydrid. Das macht sie umweltfreundlicher – und trägt auch dazu bei die Energiedichte zu erhöhen. NiMH-Akkus haben kabellose Werkzeuge leistungsfähig gemacht und sind in Digitalkameras und anderen elektronischen Geräten zu finden. Sie wurden auch in frühen Hybridfahrzeugen wie dem Toyota Prius eingesetzt. Die Entwicklung des NiMH erstreckte sich über zwei Jahrzehnte und wurde von Daimler-Benz und der Volkswagen AG gefördert. Die ersten kommerziellen Zellen waren 1989 erhältlich.

Lithium-Ionen (1991)

Sony brachte 1991 den ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Akku auf den Markt. Lithium-Ionen-Batterien weisen eine hohe Energiedichte auf und verfügen über eine Reihe von spezifischen Kathodenformulierungen für verschiedene Anwendungen, auf die wir später in der Serie noch einmal genauer eingehen werden.

So werden beispielsweise Lithium-Kobalt-Dioxid (LiCoO2)-Kathoden in Laptops und Smartphones verwendet, während Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (LiNiCoAlO2)-Kathoden, auch bekannt als NCAs, in den Batterien von Fahrzeugen wie dem Tesla Model S verwendet werden. Graphit ist ein gängiges Material für die Verwendung in der Anode. Der Elektrolyt ist meist eine Art Lithiumsalz, das in einem organischen Lösungsmittel suspendiert ist.

Das Möglichkeitsspektrum

Neben den Kosten sind es vor allem zwei weitere Kennwerte, die von essentieller Bedeutung sind: die spezifische Energie und die spezifische Leistung der Zellen. Stellen Sie sich die spezifische Energie als die Wassermenge in einem Tank vor. Es ist die Energiemenge, die eine Batterie insgesamt enthält. Unterdessen ist die spezifische Leistung die Geschwindigkeit, mit der das Wasser aus dem Tank fließen kann. Es ist die Strommenge, die eine Batterie für einen bestimmten Zweck liefern kann.

Bleibt zu klären: Welche Batterien werden für unsere Zukunft von entscheidender Bedeutung sein? Wie groß ist ihr Markt? Welche Rohstoffe werden wir dazu benötigen und woher bekommen, zu welchem Preis?