{"id":961,"date":"2019-08-28T08:02:16","date_gmt":"2019-08-28T07:02:16","guid":{"rendered":"https:\/\/www.akku.net\/magazin\/?p=961"},"modified":"2019-09-13T15:18:23","modified_gmt":"2019-09-13T14:18:23","slug":"lithium-ionen-batterie-nachfolger","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.akku.net\/magazin\/lithium-ionen-batterie-nachfolger\/","title":{"rendered":"Auf der Suche nach dem Nachfolger f\u00fcr die Lithium-Ionen-Batterie"},"content":{"rendered":"

Was haben E-Autos, Smartphones und Laptops gemeinsam? Sie alle laufen auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien (LIB), die die Ger\u00e4te mit Energie versorgen. Der Lithium-Ionen-Akku hat sich in den Bereichen Elektromobilit\u00e4t, Telekommunikation und portable Datenverarbeitung seit Jahren als alternativlose Instanz etabliert. Diese konkurrenzlose Zeit soll allerdings bald vorbei sein.<\/strong><\/p>\n

\"lithium-ionen-akku-smartphone\"<\/a>
An Lithium-Ionen-Batterien f\u00fchrt bei mobilen Devices (noch) kein Weg vorbei. \u00a9 Tyler Lastovich auf Unsplash<\/figcaption><\/figure>\n

Punkte, die auf lange Sicht gegen Lithium<\/strong> sprechen:<\/p>\n

    \n
  1. Lithium ist als Rohstoff nur begrenzt auf der Erde verf\u00fcgbar<\/li>\n
  2. Es st\u00f6\u00dft aufgrund der gro\u00dfen Herausforderungen gerade in den Bereichen E-Mobilit\u00e4t und
    \nTelekommunikation an seine Grenzen<\/li>\n
  3. Sowohl bei der F\u00f6rderung als auch beim Recycling kann es zu schwerwiegenden Umweltproblemen kommen<\/li>\n<\/ol>\n

    Diese Probleme nehmen Forschungsinstitutionen weltweit ernst und machen sich darum auf die Suche nach Nachfolgern beziehungsweise Erg\u00e4nzungen zu der LIB<\/a>. Wir haben Experten zu der Post-Lithium-Zeit und m\u00f6glichen Lithium-Alternativen befragt, mit denen die Anforderungen an zuk\u00fcnftige Energiespeicher bew\u00e4ltigt<\/strong> werden sollen. Die spannenden Antworten zu Graphen, Natrium, Magnesium und dem Elektroautohersteller Tesla lesen Sie im Folgenden.<\/p>\n

    Quo vadis, Lithium? \u2013 Nachhaltigkeit ein gro\u00dfes Thema<\/strong><\/h2>\n

    Prof. Dr. Maximilian Fichtner sieht einen Kurswandel auf dem Gebiet der Batterieforschung<\/strong> \u2013 sowohl im akademischen als auch im wirtschaftlichen Bereich. Es gelte nicht mehr allein h\u00f6her, schneller, weiter, sondern es komme auch auf Produktions- sowie Recyclingbedingungen an:<\/p>\n

    \u201eAuf der Suche nach der Batterie der Zukunft beschreiten Wissenschaftler und Industriefirmen derzeit neue Wege. W\u00e4hrend die Entwicklungsziele bisher vor allem darauf ausgerichtet waren, mehr Speicherkapazit\u00e4t, schnellere Ladezeiten, l\u00e4ngere Lebensdauer, h\u00f6here Sicherheit, und geringere Kosten zu erzielen, ist die Frage der Nachhaltigkeit ein neuer, wichtiger Aspekt. Hier geht es insbesondere um die Verf\u00fcgbarkeit von Rohstoffen und das Batterie-Recycling. Dies f\u00fchrt dazu, dass international daran gearbeitet wird, z. B. den Kobaltgehalt im Pluspol der Batterien weitgehend zu reduzieren oder neue, kobaltfreie Speichermaterialien zu entwickeln. Weitere Rohstoffe, die auf der Agenda stehen, sind Nickel, Lithium und Graphit.\u201c<\/p><\/blockquote>\n

    In Bezug auf Graphit gibt es laut Prof. Dr. Fichtner ebenfalls Bem\u00fchungen, dieses \u201eim Minuspol durch Kohlenstoff aus Naturmaterialien zu ersetzen\u201c \u2013 namentlich durch Graphen<\/strong>. Allerdings habe das als \u201eWundermaterial\u201c gefeierte Graphen die hohen Erwartungen bislang nicht erf\u00fcllen k\u00f6nnen. Anstelle von Graphit wurde es als m\u00f6gliche Wirtstruktur f\u00fcr die Lithium-Ionen in der Anode diskutiert. Prof. Dr. Fichtner zu den Hoffnungen der Forschungsgemeinschaft: \u201eMan hat sich erhofft, dass man mehr Lithium einlagern kann. Bisher haben sich die hohen Erwartungen aber noch nicht in praktisch verwertbaren Resultaten niedergeschlagen.\u201c<\/p>\n

    Welche Ladungstr\u00e4ger k\u00f6nnten Lithium in Zukunft ersetzen?<\/strong><\/h2>\n

    Batterien auf Lithium-Ionen-Basis sind in nahezu allen digitalen und hochtechnologischen Devices als Ladungstr\u00e4ger verbaut, die Technologie dahinter bietet jedoch wenig Potenzial zu weiterer Optimierung<\/strong> und Lithium ist im Vergleich zu anderen Rohstoffen selten und darum teuer. Die Anforderungen auf dem Gebiet der E-Mobilit\u00e4t und bei mobilen Telekommunikationsger\u00e4ten steigen zudem stetig.<\/p>\n

    Deswegen forschen Wissenschaftler weltweit nach weiteren Optionen, um den hohen Bedarf an Versorgungsenergie decken zu k\u00f6nnen. Dazu Prof. Dr. Maximilian Fichtner:<\/p>\n

    \u201eEine wachsende Anzahl an Forschergruppen befasst sich mit der Frage, wie man Lithium durch andere, weit h\u00e4ufigere Ladungstr\u00e4ger in der Batterie ersetzen kann. Prominentester Vertreter ist das Natrium und die Entwicklung solcher Natrium-Ionen-Batterien ist bereits so weit fortgeschritten, dass die ersten Batterien in 1\u20132 Jahren auf den Markt kommen werden. Andere attraktive M\u00f6glichkeiten sind Batterien auf der Basis von Magnesium, Calcium oder Aluminium, diese Systeme sind aber noch im Forschungsstadium und es wird noch einige Jahre dauern, bis hier alle Probleme gel\u00f6st sind.\u201c<\/p><\/blockquote>\n

    \"maximilian-fichtner-helmholtz-institut-ulm\"<\/a><\/p>\n

    Prof. Dr. Maximilian Fichtner ist Direktor am Helmholtz-Institut Ulm (HIU) und <\/em>Professor f\u00fcr Festk\u00f6rperchemie an der Universit\u00e4t Ulm<\/em><\/a>. Er ist wissenschaftlicher Sprecher von CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm-Karlsruhe), eine der gr\u00f6\u00dften Forschungs- und Entwicklungsplattformen zur Elektrochemischen Energiespeicherung weltweit und au\u00dferdem Sprecher des deutschen Exzellenzclusters zur Batterieforschung POLiS (\u201eEnergy Storage Beyond Lithium\u201c). Schwerpunkt seiner Arbeiten sind neue Verfahren zur elektrochemischen Energiespeicherung und die Entwicklung daf\u00fcr ben\u00f6tigter Materialien, insbesondere f\u00fcr Natrium-, Magnesium- und Calciumbatterien. Deren Kombination mit Elektroden auf der Basis organischer Naturstoffe bietet das Potenzial, leistungsf\u00e4hige, stabile und nachhaltige Batterien bauen zu k\u00f6nnen.<\/em><\/p>\n

    Natrium und Magnesium: M\u00f6gliche Lithium-Alternativen?<\/strong><\/h2>\n
    \"magnesium-rohform\"<\/a>
    Magnesium stelle eine m\u00f6gliche Alternative f\u00fcr das ‚alternativlose‘ Lithium dar. \u00a9 Siegbert Pinger auf Pixabay<\/figcaption><\/figure>\n

    Natrium ist ein hei\u00dfer Kandidat, wenn es darum geht, die Lithium-Dominanz zu brechen. Das sieht auch Ralf Higgelke, Redakteur bei DESIGN&ELEKTRONIK, so. Er bezieht jedoch zus\u00e4tzlich den finanziellen Aspekt<\/strong> bei der Produktion von Alternativ-Batterien ein:<\/p>\n

    \u201eIn der Kostenstruktur f\u00fcr Akkus machen die reinen Materialkosten f\u00fcr das Lithium nur einen gewissen Bruchteil aus. Die Prozesskosten wiegen in der Kostenstruktur insgesamt viel h\u00f6her, und die sind bei anderen Materialien mindestens vergleichbar. Forscher der Stanford University beschreiben, dass ein Natrium-Akku \u2013 Natrium ist wohl \u00e4hnlich kosteng\u00fcnstig wie Magnesium \u2013 bei gleicher Speicherkapazit\u00e4t nur etwa 20 Prozent weniger kostet als ein Lithium-Ionen-Akku. Dabei ist Lithium etwa hundertmal so teuer wie Natrium.\u201c<\/p><\/blockquote>\n

    Damit liegt laut Ralf Higgelke die Kostenkrux nicht per se an der vermeintlichen Seltenheit von Lithium, sondern an den prozessual anfallenden Ausgaben f\u00fcr eine Batterie<\/strong>, die sich ebenfalls f\u00fcr Alternativen wie Natrium und Magnesium ergeben w\u00fcrden. Des Weiteren sei die h\u00e4ufig postulierte Knappheit von Lithium nicht der ausschlaggebende Grund, der gegen eine weitere Verwendung des Materials spricht:<\/p>\n

    \u201eLaut Dr. Wolfgang Weydanz (Robert Bosch) liegen die weltweiten Ressourcen bei 30\u00a0Millionen Tonnen. Der Bedarf lag im Jahr 2018 bei ca. 50.000 Tonnen, wobei nur die H\u00e4lfte f\u00fcr Batterien verwendet wurde. Sch\u00e4tzungen zufolge soll der Bedarf bis 2025 auf 110.000 Tonnen steigen. Gleichzeitig ist das Lithium-Recycling noch unbedeutend; auch das kann ein Hebel f\u00fcr die Zukunft sein.\u201c<\/p><\/blockquote>\n

    Momentan f\u00fchrt kein Weg an der Verwendung von Lithium vorbei; gesch\u00e4tzt wird u.\u00a0a. die vergleichsweise hohe Energiedichte, die lange Lebensdauer<\/strong> (etwa f\u00fcnf Jahre mit Kapazit\u00e4tsverlust) sowie die vielen m\u00f6glichen Ladezyklen<\/strong> (mindestens 4-stelliger Bereich in Abh\u00e4ngigkeit von Temperatur, Lagerung, Ladeverhalten usw.). Beispielsweise k\u00f6nnen Magnesium-Akkus nicht mit der Zyklenfestigkeit von Lithium-Batterien mithalten \u2013 sie kommen momentan nur auf 50 Lade- bzw. Entladezyklen. Und auch bei der Ladegeschwindigkeit machen sie Lithium noch keine Konkurrenz. Ralf Higgelke glaubt darum nicht an eine baldige Marktreife von Magnesium-Akkus<\/strong> in absehbarer Zeit: \u201eSie sind immer noch Teil der Forschung, sodass man davon ausgehen kann, dass sie die n\u00e4chsten zehn Jahre nicht marktreif sein werden. Auch die Wirtschaft setzt voll auf Lithium-Ionen-Akkus.\u201c<\/p>\n

    Wirtschaft: Nicht ohne Lithium-Ionen-Batterien \u2013 das Beispiel Tesla<\/strong><\/h2>\n
    \"tesla-auto-batterie-lithium-ionen-akku\"<\/a>
    Elon Musks Unternehmen Tesla setzt voll auf Lithium-Ionen-Batterien. \u00a9 Blomst auf Pixabay<\/figcaption><\/figure>\n

    Lithiums Dominanz wird zwar durch die Forschung in Frage gestellt, die nach einer leistungsf\u00e4higeren, kosteng\u00fcnstigeren und umweltfreundlicheren Alternative sucht, jedoch sind Strukturen und Produktionstechnologien von Lithium<\/strong> bereits jetzt in der Wirtschaft vorhanden und erprobt.<\/p>\n

    Lithium-Ionen-Batterien sind noch die Ladetr\u00e4ger der Stunde, aber es ist nachvollziehbar, dass nach zukunftsresistenten Optionen geforscht wird, die die technologischen Herausforderungen k\u00fcnftig nicht bremsen, sondern Realit\u00e4t werden lassen. Allerdings ist die Industrie nur bedingt bereit, in Zukunftsladetr\u00e4ger zu investieren, deren Profitabilit\u00e4t in den Sternen steht<\/strong>. Das bezeugen die letzten Investitionen in LIB:<\/p>\n

    \u201e\u00dcberall investieren Unternehmen Milliardenbetr\u00e4ge in Gigafactories (Northvolt, CATL etc.) f\u00fcr die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus. Diese Investitionen w\u00fcrden nicht get\u00e4tigt, wenn Lithium-Ionen-Akkus nur eine \u00dcbergangstechnologie w\u00e4ren. Aber damit fehlt auch der kommerzielle und finanzielle R\u00fcckhalt f\u00fcr Post-Lithium-Technologien.\u201c<\/p>\n

    \"ralf-higgelke-design-&-elektronik\"<\/a>Ralf Higgelke ist seit dem Jahr 2000 Redakteur beim Fachmedium <\/em>DESIGN&ELEKTRONIK<\/em><\/a>. Sein Spezialgebiet ist die Leistungselektronik. Davor war er zwei Jahre als Schaltnetzteil-Entwickler bei PULS t\u00e4tig. Er studierte Elektrotechnik an der Fachhochschule M\u00fcnchen und erwarb dort einen Abschluss als Dipl.-Ing (FH).<\/em><\/p>\n

     <\/p>\n

    An dem weltweit gr\u00f6\u00dften Elektroautohersteller Tesla wird deutlich, wie exklusiv im E-Mobilit\u00e4tsbereich auf Lithium gesetzt<\/strong> und das Heft in die eigene Hand genommen wird. Die Firma von Elon Musk geh\u00f6rt zu den Unternehmen, die sich eine eigene Gigafactory gebaut haben: \u201eTesla hat bereits fr\u00fch erkannt, dass der Schl\u00fcssel f\u00fcr eine Produktion von hohen Volumen von Elektroautos damit steht und f\u00e4llt, ob gen\u00fcgend Batterien zur Energiespeicherung verf\u00fcgbar sind\u201c, so Pascal Landolt, Tech-Redakteur bei Techgarage.blog. 2015 investierte der Elektroauto-Hersteller in den Bau seiner Gigafactory I<\/em> im US-Staat Nevada, wo er seitdem in Kooperation mit Panasonic sowohl Batteriezellen (18650er und 2170er) als auch komplette Akku-Packs f\u00fcr seine Autos und f\u00fcr seine Tesla Powerwall herstellt. Diese Investition ist ein deutliches Zeichen f\u00fcr Autarkie hinsichtlich Ladetr\u00e4gern<\/strong>, die sich bezahlt macht, wie Pascal Landolt mit Blick auf weitere E-Autohersteller konstatiert:<\/p>\n

    \u201eDiese Bem\u00fchungen scheinen sich auszuzahlen, denn andernorts herrscht Batterieknappheit. Das kriegt beispielsweise Audi zu sp\u00fcren: Akkulieferant LG Chem muss seine Kapazit\u00e4ten auch auf andere Autobauer wie BMW oder Mercedes aufteilen. Das Resultat ist eine knappe Verf\u00fcgbarkeit von Akkus. Verz\u00f6gerungen bei der Fertigung des Audi E-Tron sind die Folge.\u201c<\/p><\/blockquote>\n

    Recycling wird bei Lithium-Ionen-Batterien zu einem Schl\u00fcsselfaktor<\/strong><\/h2>\n
    \"recycling-elektrom\u00fcll-lithium-ionen-batterie\"<\/a>
    Die Wirtschaft denkt l\u00e4ngerfristig immer mehr an Recycling-Optionen von LIB. \u00a9 David_Hofmann auf Unsplash<\/figcaption><\/figure>\n

    Wie bereits von Prof. Dr. Fichtner angesprochen, widmen sich Hersteller bei der Batterie-Produktion und -verwendung verst\u00e4rkt dem Punkt der Nachhaltigkeit<\/strong>. Daf\u00fcr arbeitet beispielsweise Tesla mit universit\u00e4ren Forschungsgruppen zusammen, um sicherlich einerseits die Lithium-Ionen-Batterie weiterzuentwickeln, aber auch um neue Konzepte zu analysieren. Im Zuge der Zusammenarbeit soll zum Beispiel der Einsatz von Lithium selbst, von Kobalt-Teilen und von weiteren metallischen Materialen verringert werden:<\/p>\n

    \u201eEine Batteriezelle bei Tesla besteht nur zu h\u00f6chstens 15 % aus dem \u201awei\u00dfen Gold\u2018, w\u00e4hrend andere Elemente wie Nickel, Kobalt und Aluminium vorherrschen. Allerdings arbeitet Tesla daran, den Anteil an Kobalt weiter zu reduzieren, weil das Element als Konfliktrohstoff gilt. Langfristig setzt Tesla zudem auf ein Recycling seiner Akkus, auch wenn diese zuvor eine riesige Laufleistung von hunderttausenden Kilometern aufweisen.\u201c<\/p><\/blockquote>\n

    Teslas Anstrengungen auf dem Gebiet der nachhaltigen Batterieherstellung und -entsorgung sind symptomatisch f\u00fcr viele Unternehmen, die auf Lithium-Ionen-Batterien setzen. Sie alle rechnen in naher Zukunft nicht damit, dass die Lithium-Ionen-Technologie<\/strong> zu einem Auslaufmodell wird. Man ist sich dabei jedoch auch bewusst, dass die LIB nicht die letzte Errungenschaft auf dem Gebiet der Ladetr\u00e4ger sein wird, allerdings (momentan) doch noch alternativlos sind:<\/p>\n

    \u201eMit Lithium-basierten Batterien mag die Akku-Technologie noch nicht am Ende ihrer Entwicklung angekommen sein, doch hat Tesla momentan noch einige gewichtige Gr\u00fcnde, um voll darauf zu setzen:<\/p>\n

      \n
    1. Verf\u00fcgbarkeit<\/li>\n
    2. Bestehendes Know-how<\/li>\n
    3. Preis-Leistungs-Verh\u00e4ltnis.\u201c<\/li>\n<\/ol>\n<\/blockquote>\n

      \"pascal-landolt-techgarage-blog\"<\/a><\/p>\n

      Seit jeher bin ich fasziniert von allem, was mit Batterien betrieben wird: Zuerst RC-Autos, danach Smartphones und nun auch Energiespeicher f\u00fcr erneuerbare Energien. Bei meinem ersten eigenen Start-up \u00abElement5 Solar\u00bb habe ich eine\u00a0<\/em>Menge \u00fcber Akkus gelernt \u2013 und als Tech-Redakteur f\u00fcr <\/em>Techgarage.blog<\/em><\/a> und passionierter Elektroauto-Fahrer verfolge ich die Entwicklungen an der Batteriefront mit gro\u00dfem Interesse.<\/em><\/p>\n

       <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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