Jenseits von Lithium: BAM erforscht nachhaltige Batteriematerialien

Jenseits von Lithium: BAM erforscht nachhaltige Batteriematerialien

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Weltweit suchen Wissenschaftler nach Alternativen zu Lithium-Ionen-Akkus. Als vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien, doch die Anode ist bei dieser Technologie bislang eine Schwachstelle. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelt dazu in einem Kooperationsprojekt neuartige Kern-Schale-Verbundwerkstoffe, die zu effizienten Akkus mit verbesserter Sicherheit führen sollen.

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 Kobalt und Nickel – Metalle, die ebenfalls unter problematischen Bedingungen abgebaut werden bzw. giftig sind.

Weltweit suchen Forschende daher nach einer umweltschonenden und nachhaltigen Alternative zu Lithium. Als besonders vielversprechend gelten Natrium-Ionen-Batterien. Sie sind eine „Drop-in-Technologie“, können also ohne größere Probleme auf die gängige Batterieproduktion übertragen werden. Zudem benötigen sie weder Kobalt 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“, 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 in Berlin startet jetzt ein Kooperationsprojekt, das sich der Suche nach einem geeigneten Anoden-Material widmet, um die Natrium-Ionen-Technologie voranzubringen. Angesiedelt ist es im neuen Batterietestzentrum, das die BAM erst vor wenigen Wochen eröffnet hat.

Statt Graphit, wie bei den etwas kleineren Lithium-Ionen, werden dazu bei Natrium-Ionen bisher sogenannte Hard Carbons verwendet. In den Poren und Gängen des ungeordneten Kohlenstoffs können sich jedoch nicht nur Natrium-Ionen einlagern, sondern es gelangt auch Elektrolyt hinein, die Ionen-leitende Flüssigkeit der Batteriezelle. Das führt zu unerwünschten Verlusten der Speicherkapazität und geht somit auf Kosten der Effizienz.

Es ist sehr komplex, die ideale Struktur für diese neuartigen Materialien zu finden. Wir wollen dafür maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe entwickeln, die möglichst vielen Natrium-Ionen Platz bieten, Elektrolyte aber fernhalten“, erklärt Tim-Patrick Fellinger, der das Verbundprojekt leitet und an der BAM Experte für Energiematerialien ist. „Die Herausforderung ist es, ein Material zu finden, das zugleich sicher und effizient ist.“

Beteiligt an dem Verbundprojekt sind das Helmholtz-Zentrum Berlin und die TU Berlin sowie mehrere Unternehmen, die sich auf Kohlenstoffmaterialien für Batterien spezialisiert haben. „Der schnelle Wissensaustausch mit der Industrie ist uns wichtig, daher freue ich mich über die Beteiligungen“, so Fellinger. „Wenn wir mit unserem Konzept erfolgreich sind, würde dies einen großen Innovations-Schub für die Natrium-Ionen-Technologie insgesamt bedeuten.“ Gefördert wird das Verbundprojekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderung „Batterie 2020 Transfer“.

Quelle: BAM – Pressemitteilung vom 17.08.2021

Über den Autor

Michael Neißendorfer ist E-Mobility-Journalist und hat stets das große Ganze im Blick: Darum schreibt er nicht nur über E-Autos, sondern auch andere Arten fossilfreier Mobilität sowie über erneuerbare Energien und Nachhaltigkeit im Allgemeinen.

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„Zudem benötigen Lithium-Batterien aktuell für die Elektroden Kobalt und Nickel – Metalle, die ebenfalls unter problematischen Bedingungen abgebaut werden bzw. giftig sind.“

Das ist soo falsch dargestellt: Die inzwischen wieder verstärkt nachgefragten LFP-Akkus sind ebenfalls Lithium-Batterien aber benötigen im Gegensatz dazu weder Kobalt, noch Mangan, noch Nickel, sondern eher reichlich vorhandenes Eisenphosphat. Mit deutlichen Vorteilen zu Kosten, Lebensdauer, Brand-Sicherheit und Recycling, benötigen aber (aktuell nur noch wenig) mehr Raum und Gewicht!

Last edited 29 Tage zuvor by Wolfbrecht Gösebert

Es scheint als hätte Tesla mit seinen Akkus auf Lithium-Eisenphosphat-Basis (LFP) auf das richtige Pferd gesetzt.

Der bisherige Rekord lag bei 200 Wh/kg und wurde im vergangenen Jahr ebenfalls von Gotion aufgestellt. Noch in diesem Jahr will das Unternehmen 230 Wh/kg erreichen, im kommenden Jahr sollen es bereits 260 Wh/kg sein. Die Entwicklungen im Bereich der LFP-Akkus waren in den letzten Jahren erstaunlich: Vor rund zehn Jahren lag die Energiedichte hier noch bei rund 100 Wh/kg, 2015 wurden 140 Wh/kg erreicht.

(Quelle: efahrer.chip.de – Januar 2021)

Kleine preiswerte Stadtautos (ähnlich VW e-up) mit 40-kWh-Batterie (netto geschätzt 34 kWh) hätten rund 200 km (innerorts 300 km) reale Reichweite und wären nicht schwerer als vergleichbare Verbrenner.

Die Preis für LFP-Akkus im Autobereich kenne ich jetzt nicht, sonst hätte ich auch Zahlen dazu genannt.

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