Der Super-Akku: Wie weit ist die Revolution der Stromspeicher?

Die große Batterie-Revolution wird schon seit einigen Jahren mit Spannung erwartet. Als ein besonders wichtiger Termin hierzu gilt der jährliche Tesla Battery Day, der Ende September stattfand. In diesem Rahmen kündigte Tesla-Chef Elon Musk die leistungsfähigsten Batterien aller Zeiten an – und zwar für Ende 2022. Die Super-Akkus des Typs 4680 sollen einen gesteigerten Energiegehalt ermöglichen bei kompakterer Bauweise. Daneben soll die Produktion erheblich vereinfacht, weniger Wasser benötigt und nachhaltigere Rohstoffe eingesetzt werden.

Doch mit diesem Vorhaben ist Tesla nicht allein – zahlreiche Forscher und Unternehmen weltweit arbeiten an einem neuen Super-Akku, der alle bisher dagewesenen in den Schatten stellt. Welche Gründe es gibt, die Akku-Revolution voranzutreiben, was die Super-Batterien alles können sollen und welche weiteren Ansätze verfolgt werden, erfahren Sie im Folgenden.

Eine Reihe verschiedener wiederaufladbarer Batterien mit Aufschriften wie „Longlife Accu“ und „Activ Energy“
Die technologischen Innovationen hängen an der Leistungsfähigkeit ihrer Akkus (by Thomas B. @Pixabay).

Was muss ein Super-Akku können? – Ziele und Kriterien

Schneller, kleiner, leichter – dies sind nur drei der unzähligen Kriterien, welche die Akkus der neuen Generation zu erfüllen haben. Je nach Forschungsansatz und je nachdem für welche Branche ein Super-Akku entwickelt wird, werden unterschiedliche Anforderungen gestellt. Dennoch gibt es einige universelle, übergeordnete Ziele, die Forscherteams auf der ganzen Welt mit ihren Projekten erreichen möchten. Dazu zählen die folgenden:

  1. Höhere Leistung:
    Vom Smartphone, das maximal einmal pro Monat aufgeladen werden muss, bis hin zu Elektroautos, die tausende Kilometer ohne Unterbrechung zurücklegen können – die Möglichkeiten, die sich durch Batterien mit einer höheren Energiedichte ergäben, scheinen endlos. Sie motivieren Wissenschaftler, immer neue chemische Zusammensetzungen sowie Batteriestrukturen zu testen.
  2. Kürzere Ladezeit:
    Mobile Geräte kommen mittlerweile in allen erdenklichen Bereichen des Alltags zum Einsatz. Dennoch diktiert noch immer die vom Akku benötigte Ladezeit, wie lange beispielsweise ein eigentlich mobiler Akkuschrauber am Ladekabel hängt und tatsächlich immobil ist. Mit einem Schnelllade-Akku würden derart unproduktive Wartezeiten der Vergangenheit angehören.
  3. Längere Haltbarkeit:
    Funktionieren akkubetriebene Geräte nicht mehr, liegt das in vielen Fällen am Akku. Um zu vermeiden, dass es ständig neuer bzw. Ersatz-Akkus bedarf, sollen die neuen Stromspeicher besonders robust und stabil gestaltet werden. Das bedeutet auch, dass eine höhere Anzahl von Lade- / Entladezyklen ermöglicht werden muss, ohne dass die Leistung stark nachlässt.
  4. Geringeres Gewicht:
    Dieses Ziel mag nicht für jedes akkubetriebene Gerät bestehen, für Elektrofahrzeuge ist es jedoch höchstrelevant. Es gilt: Umso leichter der im Auto verbaute Akku, desto seltener muss das Fahrzeug „elektrisch betankt“ werden. Gleichzeitig werden Smartphones, Tablets und Co. immer schlanker, kompakter und leichter. Auch hier wächst der Bedarf an weniger schweren Akkus.
  5. Niedrigere Kosten:
    Die Kosten einer Super-Batterie setzen sich aus den Materialien sowie dem Arbeitsaufwand zusammen. Um große Ziele, wie den vollständigen Umstieg auf erneuerbare Energien, zu erreichen, müssen die Akkukosten so gering wie möglich sein. Andernfalls ließe sich mit den Super-Akkus lediglich ein geringer Teil der Gesellschaft erreichen – Gutverdienende.
  6. Umweltfreundliche Materialien:
    Ein Akku der neuen Generation sollte nachhaltig produzierbar sein und aus umweltfreundlichen, recyclebaren Materialien bestehen. Ebenso von Bedeutung sind die Mengen, in denen bestimmte Rohstoffe für den Super-Akku nötig sind.

Es zeigt sich – Ingenieure und Wissenschaftler, die die Batterie revolutionieren möchten, stehen vor einer sehr komplexen Aufgabe. Sie finden sich in einem Spannungsfeld: Wird beispielsweise ein besonders leistungsstarker Akku entwickelt, so ist dieser oftmals noch recht schwer und teuer. Denn den einen Akku, der alle Kriterien erfüllt, gibt es (noch) nicht.

Wer profitiert von den Super-Akkus? – Branchen im Überblick

Es steht außer Frage, dass Super-Akkus das alltägliche Leben bedeutend verändern könnten und zahlreiche Vorteile mit sich bringen. Daher investieren auch immer mehr Unternehmen verschiedener Branchen in die Batterieforschung und -entwicklung. Doch welche Sektoren sind es, die am meisten von Akkus einer neuen Generation profitieren würden?

Automobilindustrie

Für viele gilt die Automobilindustrie als der größte Motivator – schließlich ließe sich mit einem vollständigen Umstieg auf Elektromobilität der Klimawandel aufhalten bzw. verlangsamen. Doch der Durchbruch batteriebetriebener Elektrofahrzeuge kann nur mit einem Super-Akku gelingen, der sich durch mehr Reichweite und eine kürzere Ladezeit auszeichnet. Aktuell verfügbare E-Autos stellen keine gleichwertige Alternative zu Verbrenner-Fahrzeugen dar.

Ein Elektroauto wird an einer Stromquelle aufgeladen.

Damit der Durchbruch der E-Autos gelingt, darf elektrisches Tanken nicht mehr so viel Zeit in Anspruch nehmen (by Pixaline @Pixabay).

Unterhaltungselektronikbranche

Die Produktpalette dieser Branche reicht von Fernsehgeräten, über Stereoanlagen bis hin zu Spielekonsolen. Ausgestattet mit einer WiFi- oder Bluetooth-Funktion lassen sich diese zu jeder Zeit und – je nach Größe – von überall aus, standortunabhängig nutzen. Die Voraussetzung: leistungsstarke Akkus, die auch hinsichtlich ihrer Maße und ihres Gewichts zu den immer kompakter gestalteten Unterhaltungsgeräten passen.

Energiebranche

Die Energiebranche könnte in vielerlei Hinsicht von Super-Akkus profitieren. Ein Beispiel bezüglich der Energieversorgung: Mit einer langlebigen Hausbatterie könnten Hausbesitzer Unabhängigkeit von den großen Stromversorgern erlangen. In Verbindung mit einer Photovoltaikanlage ließe sich Strom für das Haus selbst erzeugen, speichern und schließlich abrufen, sobald er benötigt wird. Nähere Informationen liefern wir Ihnen in unserem Beitragstext „Energieeffizient bauen – was Sie wissen müssen“.

Akku-Revolution – Innovationen im Bereich der Stromspeicher

Der gesteigerte Bedarf an leistungsstarken Super-Akkus sorgt dafür, dass die weltweite Forschung zu neuen Batterietechnologien niemals stillsteht. Nahezu täglich werden neue Verfahren, Materialien und Bauarten vorgestellt, die die Batterie-Revolution herbeiführen sollen. Einige der vielversprechendsten aktuellen Ansätze stellen wir im Folgenden vor.

Beschriftung eines Akku-Packs, Angaben zur Modellnummer, dem Typ sowie der Kapazität
Einige der neuen Super-Akkus basieren auf der gängigen Lithium-Ionen-Zellchemie (by Kumpan Electric @Unsplash).

Festkörperbatterie – das Ende flüssiger Elektrolyten?

Eine der großen Hoffnungsträger auf der Suche nach der bahnbrechenden Technologie ist die Festkörper- bzw. Feststoffbatterie. Bereits seit mehreren Jahren verfolgen verschiedene Unternehmen, wie z. B. QuantumScape und Samsung diesen Ansatz – vor allem die Automobilindustrie zeigt großes Interesse. Neben VW, BMW und Toyota hat beispielswiese auch die Auto-Allianz Renault-Nissan-Mitsubishi in die Entwicklung der Feststoffbatterie investiert. Im Gegensatz zur bisherigen Lithium-Ionen-Batterie wird für diese kein flüssiger, sondern ein fester Elektrolyt verwendet. Das macht den Akku wesentlich widerstandsfähiger sowie sicherer und ermöglicht darüber hinaus eine höhere Energiedichte. Demnach würden Lithium-Festkörperbatterien bei gleicher Größe über mehr Kapazität verfügen.

Weitere Vorteile bestehen hinsichtlich der Anzahl möglicher Ladezyklen sowie der verkürzten Dauer des Ladevorgangs. Jedoch stellen sich diesen und vielen weiteren Vorteilen aktuell noch diverse Herausforderungen in den Weg:

  1. Beim Laden der Super-Batterie können sich Atome im Inneren des Lithium-Metalls sammeln und bewirken, dass dieses sich ausdehnt. Der gegenteilige Effekt entsteht beim Entladen: Das Metall schrumpft wieder. Dadurch wird das Material stark belastet und unter Umständen schnell brüchig.
  2. Lithium-Ionen müssen sich schnell durch den festen Elektrolyten bewegen können.

Diesen Problemen wird u. a. mit einer bienenwabenartigen Nano-Architektur begegnet. Die festen Materialien, aus denen die Anode sich zusammensetzt, dienen hierbei als Leiter und Isolatoren. Darauf wird die wabenförmige Struktur aus Nano-Röhrchen aufgebaut, die die Ionen schneller durch den Elektrolyten fließen lässt.

Vorteile

Nachteile

+ Leistung: 800 Kilometer Akku-Reichweite (E-Auto) / 900 Wh pro Liter  Material: wird brüchig; weiterhin starke Nachfrage nach Lithium
+ Sicherheit: können nur schwer in Brand geraten und nicht auslaufen
+ Gewicht: nur ein Viertel des Gewichts herkömmlicher Batterien
+ Haltbarkeit: bis zu 1.000 Ladezyklen

Weitere Fakten zu der Feststoffbatterie können Sie in unserem Artikel „Feststoffbatterie – Hype oder Disruption?“ nachlesen.

Akkus mit schwarzem Phosphor – die Mischung macht’s?

Einen weiteren Ansatz bezüglich leistungsfähigerer Batterien verfolgen derzeit Ingenieure und Wissenschaftler der University of Science and Technology of China (USTC). Für sie steht das Material der Elektroden im Mittelpunkt. So haben die Forscher erkannt, dass sich durch den Einsatz von schwarzem Phosphor eine deutlich höhere Speicherdichte für die Batterie ergibt. Zwar waren den Forschern die nützlichen Eigenschaften dieses Stoffs bereits zuvor bekannt – aufgrund unbeabsichtigter chemischer Reaktionen mit Lithium-Teilchen an der Oberfläche ließ sich Phosphor in der Vergangenheit jedoch noch nicht für Batterien verwenden. Dieses Problem scheint nun gelöst – durch die Ergänzung von Graphit (15 Prozent).

Der Super-Akku mit Phosphor-Graphit-Mischung als Elektrodenmaterial verspricht, einige der wichtigsten Anforderungen zu erfüllen: Neben einer längeren Lebensdauer soll eine deutlich schnellere Ladezeit erreicht werden. Innerhalb von zehn Minuten ließe sich der Phosphor-Akku vollständig aufladen, sodass ein Elektroauto damit bis zu 500 Kilometer weit käme.

Den Ingenieuren der USTC zufolge handelt es sich bei schwarzem Phosphor um den ‚heiligen Gral‘ der Batterietechnologie. Fest steht, dass der Super-Akku mit seiner Leistung sowohl Graphen-Batterien als auch Lithium-Ionen-Akkus überholen könnte. Diese gelten aktuell als Branchenstandard – voraussichtlich auch noch für eine ganze Weile. Es sieht nämlich nicht danach aus, dass die Phosphor-Batterie schon bald kommerziell einsetzbar ist. Dafür gestaltet sich die Fertigung noch zu kompliziert und ist zudem äußerst kostspielig.

Vorteile Nachteile
+ Leistung: 500 Kilometer Akku-Reichweite (E-Auto) / 350 Wh pro Kilogramm  Kosten: Herstellung sehr teuer aufgrund der benötigten Materialien
+ Ladezeit: innerhalb von 10 Minuten ‒ Produktion: Herstellungsverfahren sehr kompliziert und arbeitsintensiv
+ Haltbarkeit: mehr als 2.000 Zyklen ohne Leistungsnachlass

Selbsterhitzende Batterie – der Durchbruch dank integrierter ‚Heizung‘?

Während sich einige Forschungsteams das Ziel gesetzt haben, eine vollkommen neue Art der Batterie zu entwickeln, sind andere darum bemüht, bestehende Technologien zu optimieren. Letzteres trifft auf die Forscher der Pennsylvania State University zu. Sie arbeiten daran, ein generelles Problem herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien zu lösen und zugleich deren Ladezeit für eine Strecke von 300 bis 500 Kilometern mit dem E-Auto drastisch zu reduzieren.

Um die Problemstellung zu verstehen, ist es wichtig, sich den grundsätzlichen Ladeprozess einer Batterie in Erinnerung zu rufen. Dieser gestaltet sich folgendermaßen:

  1. Die positiv geladenen Lithium-Ionen (Ladungsträger) wandern von der Anode zur Kathode durch den Elektrolyten.
  2. Dort angekommen, lagern sich die Lithium-Ionen in die Elektrode ein. Somit ist die Batterie aufgeladen.
  3. Beim Entladen der Batterie werden die Lithium-Ionen abgerufen und sie wandern zurück in die Kathode.

Wird eine Batterie jedoch zu schnell aufgeladen, besteht das Risiko, dass die Ladungsträger an der Elektrode zurückbleiben und daran haften. Dadurch kann sich mit der Zeit eine metallische Schicht auf der Oberfläche bilden, die die Leistung der Batterie stark beeinträchtigt. Ein weiteres mögliches Szenario: Es kommt zum Kurzschluss. Um diese Gefahren einzudämmen, haben die Forscher der Pennsylvania State University eine sich selbst erhitzende Struktur aus Nickel entwickelt. Diese ist als eine Art ‚Heizung‘ zu verstehen, die in eine leistungsstarke Batterie integriert wird.

Sie wird beim Aufladen auf etwa +60 Grad Celsius erhitzt, wodurch die Leistungsfähigkeit der Batterie sofort steigt. Diese Annahme ist auf Kinetik zurückzuführen – es ist bekannt, dass die Reaktionsfähigkeit exponentiell mit der Temperatur zunimmt. Im Anschluss an diesen Vorgang wird die Batterie bei kühleren Temperaturen wieder entladen.

Vorteile

Nachteile

+ Leistung: 300 bis 500 Kilometer Akku-Reichweite (E-Auto)  Fortschritt: bisher nur im Labor getestet; Wissenschaftler ließen die Batterien nach dem schnellen Ladevorgang 10 Minuten lang abkühlen, ehe sie diese wieder entluden à verlängert tatsächliche Ladezeit
+ Ladezeit: innerhalb von 10 Minuten vollständig aufgeladen
+ Haltbarkeit: mehr als 2.500 Ladezyklen ohne starken Leistungsverlust

SALD-Batterien – höhere Leistung durch effizientere Beschichtung?

Auch das Unternehmen SALD BV aus den Niederlanden arbeitet intensiv daran, die Batterie zu revolutionieren – mit dem gleichnamigen Verfahren Spatial Atom Layer Deposition. Die bekannten Ziele stecken die Entwickler hinsichtlich Leistung und Verfügbarkeit noch höher: Bis zu 2.000 Kilometer Reichweite soll der Super-Akku in E-Autos ermöglichen – und das schon ab 2022.

In Zusammenarbeit mit dem deutschen Fraunhofer Institut sowie der TNO (The Netherlands Organisation) hat das Unternehmen eine Batterie entworfen, die auf der klassischen Lithium-Ionen-Zellchemie basiert. Den Forschern zufolge ließe sie sich jedoch auch auf andere Batteriearten anwenden – mit flüssigem oder festem Elektrolyten. Die wohl bedeutendste Neuerung von SALD betrifft den Aufbau der Batteriezelle, mit dem der Ionen-Fluss zwischen Kathode und Anode beschleunigt werden soll:

  1. Mit dem SALD-Verfahren (dt. räumliche Atomlagenabscheidung – wird bislang v. a. für Computerchips genutzt) gelingt die atomdünne 3D-Beschichtung der Kathode.
  2. Elektro-chemische Prozesse innerhalb eines Akkus laufen an der Oberfläche ab. Diese Fläche lässt sich enorm ausweiten, ohne dass der Akku als solcher größer wird.
  3. Dies gelingt folgendermaßen: In den Zellen wird eine Nanostruktur mit abstehenden Metallstiften aufgebaut, welche sich jeweils rundum (3D) beschichten lassen.
  4. Die Abstände zwischen den Elektroden werden somit verkürzt, sodass sich die Elektroden noch effizienter nutzen lassen.

Durch die dünneren Schichten ergibt sich zudem der Vorteil der Materialeinsparung. Der Bedarf an Cobalt, Nickel oder Mangan wird maßgeblich reduziert und auch die Maße bisheriger Akkus werden nicht überschritten.

Vorteile

Nachteile

+ Leistung: bis 2.000 Kilometer Reichweite (E-Auto)  Fortschritt: bislang noch kein Prototyp vorhanden; bisher nur Fertigungsmaschinen für Kleinserien im Einsatz
+ Material: starke Reduzierung des Bedarfs an Cobalt, Nickel und Mangan
+ Einsatz: auf verschiedene Arten von Batterieverbindungen anwendbar

Weitere Ansätze zum Super-Akku – schnell laden und lange nutzen

Den Weg zum Ziel (= Super-Akku) beschreitet jedes Forscherteam anders – so stellen auch die oben genannten Forschungsunternehmungen lediglich einen Auszug aktueller Ansätze dar. Die zwei folgenden sollen dennoch nicht unerwähnt bleiben:

  1. Nano-Technologie: Das französische Unternehmen Nawa Technologies arbeitet an einem Elektroden-Design mit vertikal angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
  2. Graphen-Batterie: Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Skeleton Technologies aus Estland entwickeln gemeinsam eine Graphen-Batterie, die in nur 15 Sekunden aufgeladen sein soll.

Fazit: Der Super-Akku ist auf dem Weg, aber noch lange nicht am Ziel

Die vielen Meldungen zu Forschungsansätzen zeigen es deutlich: Die Motivation, eine Batterie-Revolution herbeizuführen, ist ungebrochen. Während einige der Modelle noch in den Kinderschuhen stecken, lässt sich bei anderen bereits ein ernstzunehmender Fortschritt in Richtung Produktion erkennen – wenn auch zunächst in Kleinserien und noch nicht für den industriellen Einsatz bestimmt. Eines haben sie jedoch alle gemein: Bis sie tatsächlich genutzt werden können, kann es noch etwas dauern. Dennoch stimmt die hohe Anzahl von Super-Akku-Ansätzen optimistisch, dass die Batterie-Revolution nur noch eine Frage der Zeit ist.

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