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Die Lithium-Ionen-Batterie. Am 4. Februar 1991 von Sony vorgestellt. Heute steckt sie in Smartphones, Laptops und Elektroautos, sagt Martin Winter, der wissenschaftliche Leiter des MEET.

"Die Lithium-Ionen-Batterie besteht im Prinzip aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten. Elektroden muss man sich vorstellen wie Hotels. Die Hotels nehmen Lithium-Ionen als Gäste auf. Diese Lithium-Ionen können reversibel, das heißt umkehrbar, in diesen Hotels aufgenommen werden, beziehen dort ihre Zimmer und gehen danach wieder aus den Hotels heraus."

Bildlich gesprochen steht das eine Hotel, die positive Elektrode, im Tal – wenig Energie. Das andere Hotel, die negative Elektrode, thront auf dem Berg – viel Energie.

"Wenn geladen wird: Die positive Elektrode, da wandern die Gäste raus und wandern in die negative Elektrode. Beim Entladen, beim Prozess, bei dem die Energie gewonnen wird, werden die Gäste aus der negativen Elektrode gehen und wandern zur positiven Elektrode."

Energie, Leistung, Lebensdauer, Sicherheit, Kosten
Beim Laden muss Energie hineingesteckt werden – quasi die Energie, um die Gäste vom Tal auf den Berg zu befördern. Beim Entladen, wenn die Gäste von oben nach unten rutschen, wird diese Energie wieder frei, die Batterie liefert Strom. Je größer der Höhenunterschied ist, umso größer die Spannung, und je mehr Betten die Hotels haben, umso höher ist die Kapazität der Batterie, umso mehr Strom kann sie speichern.

Zyklisieren – so nennen die Forscher es, wenn sie ihre Prototypen immer wieder laden und entladen – dutzende, hunderte, tausende Male nacheinander."Hier gibt's Zellen, die haben ihre 10.000-12.000 Zyklen durch und laufen immer noch." Das Ziel: Innerhalb von 20 Minuten soll eine Batterie auf 80 Prozent ihrer Maximalkapazität geladen werden, und zwar in einem Temperaturbereich von minus 40 bis plus 60 Grad. Die Nagelprobe für neue Prototypen, sagt Tobias Placke.

"Wenn man neue Materialien anschaut, sieht man relativ schnell, ob die sich stabil verhalten. Wenn die Kapazität relativ schnell abfällt nach wenigen Ladezyklen, sieht man, dass da irgendwas nicht stimmt, und man muss das Ganze verbessern."

"Wir versuchen laufend, immer mehr Energie auf immer kleinerem Raum zu speichern. Hier verspricht die Lithium-Schwefel-Batterie Einiges: Theoretisch könnte sie die zehnfache Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus haben."

Alberto Varzi, Batterieforscher am Helmholtz-Institut Ulm. Bei der Lithium-Schwefel-Batterie dient Schwefel als Pluspol. Der Unterschied zu den heutigen Akkus: Schwefel fungiert nicht als Hotel für die Lithium-Ionen. Stattdessen reagiert es chemisch mit dem Lithium. So lässt sich das Lithium viel dichter packen. Bildlich gesprochen brauchen die Lithium-Ionen keine Hotelzimmer mehr, sondern stehen dicht an dicht wie die Zuschauer in einem Stadion.

"Leider ist der Weg noch ziemlich lang. Ein Problem: Wir können keinen reinen Schwefel verwenden, das wäre instabil, sondern müssen ihn in ein Kohlenstoffgitter einpacken. Und das ist nicht ganz einfach. (OTon hoch) Eine weitere Schwierigkeit: Beim Laden und Entladen entstehen Zwischenprodukte, und die senken die Lebensdauer der Batterie."

Immerhin: Zum Teil sind die Probleme gelöst, heute gibt es Labormuster mit einer Speicherkapazität anderthalb Mal so groß wie die eines Lithium-Ionen-Akkus – bezogen auf das Gewicht. Bezogen auf das Volumen verflüchtigt sich der Vorsprung aber gleich wieder: die Lithium-Schwefel-Batterie ist groß und nimmt viel Platz weg.

"Meiner Meinung nach dürfte es schwierig werden, die Technik bald in Elektroautos einzusetzen. Interessant könnte sie vor allem für Luft- und Raumfahrt sein, wo es weniger auf Platz ankommt als auf ein möglichst geringes Gewicht."

Große Erwartungen in die Lithium-Luft-Batterie
Ähnliches gilt für einen anderen Ansatz, in den die Fachwelt große Erwartungen setzte – die Lithium-Luft-Batterie. Hier besteht eine Elektrode aus Lithiummetall, die andere aus porösem Kohlenstoff, in den Sauerstoff geleitet wird. Theoretisch könnte die Energiedichte 20mal höher sein als bei Lithium-Ionen-Akkus. Aber den bisherigen Labormustern mangelt es unter anderem an Durchhaltevermögen. Schon nach wenigen Ladezyklen geben sie ihren Geist auf. Martin Winter:

"Metall-Luft halte ich ganz klar für ein Grundlagenthema. Absolut nicht absehbar, ob das eine Anwendung finden wird. Sehr viele Probleme: Nebenreaktionen überwiegen die eigentlich gewünschten Reaktionen. Meiner Meinung nach im Moment verfrüht zu sagen, dass das überhaupt kommt."

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Lithium-Schwefel und Lithium-Luft – sie wurden lange als vielversprechende Nachfolger der Lithium-Ionen-Batterie gehandelt. Doch wie es scheint, können beide die Erwartungen nicht wirklich erfüllen.

Am MEET in Münster ist Tobias Placke ins Analyselabor gegangen. Ein Raum voller Hightech-Apparaturen, millionenschwer, mit komplexen Steuerpulten. Hier werden die Prototypen präzise unter die Lupe genommen.

"Da gibt’s verschiedenste Methoden, zum Beispiel ein Rasterelektronenmikroskop. Man nimmt die Elektroden nach dem Zyklisieren und kann sich die Oberfläche der Elektroden anschauen. Sind Alterungseffekte aufgetreten? Sind zum Beispiel Partikel auseinandergebrochen in der Elektrode? Daraus kann man Rückschlüsse ziehen, wie stabil das Material ist."

Placke schaltet das Mikroskop ein und zeigt auf den Monitor. Die Nahaufnahme einer Elektrode, sie erinnert an einen stark zerklüfteten Schwamm.

"Man sieht sehr schön die Porosität. Hier sind einzelne Partikel, zwischendrin sind Poren. Das sind alles Sachen, die großen Einfluss haben auf die Performance in der Zelle."

Durch die Poren kann der Elektrolyt tief in die Elektrode eindringen und den Lithium-Ionen den Weg ebnen bis in die hintersten Winkel. Dann dreht sich Placke um und zeigt auf einen speziellen Röntgenapparat. Der kann Batteriezellen quasi in Aktion durchleuchten. Was passiert in ihrem Inneren, wenn sie aufgeladen werden? Und was, wenn sie sich entladen?

"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."

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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."

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