Metall-Luft-Akkus: Erheblich größere Kapazität möglich – Marktreife lässt auf sich warten

Moderne Elektrofahrzeuge haben auf dem Papier eine Reichweite von bis zu 600 Kilometern, in der Praxis schwankt dieser Wert jedoch in Abhängigkeit vieler Faktoren. Tesla hat mit großzügigen Batterie-Packs und der hervorragenden Supercharger-Infrastruktur, die sehr schnelles Laden ermöglicht, seiner Konkurrenz bislang einiges voraus. So ist ein komfortables und alltagstaugliches Reisen schon jetzt möglich. Allerdings ist auch klar: Effizienter und besser geht immer. Außerdem sind viele Elektrofahrzeuge im mittleren Preissegment eher als Stadtauto konzipiert, weniger für Überlandfahrten. Deshalb haben sich Forscher in aller Welt das Ziel gesetzt, die aktuell eingesetzte Technik der Lithium-Ionen-Akkus abzulösen. Metall-Luft-Akkus scheinen vielversprechend – doch es gibt Probleme.

Magnesium-Luft-Akkus punkten mit hoher Kapazität, Sicherheit und Kosteneffizienz

Derzeit arbeiten die Forscher in Deutschland daran, die Marktreife von Magnesium-Luft-Akkus für den mobilen Einsatz zu erreichen. Da Magnesium-Luft-Batterien wegen ihrer hohen Kapazität, der einfachen Rohstoffverfügbarkeit und ihrer Sicherheit (sind weitaus weniger explosiv bzw. weniger brennbar) in der Theorie einen idealen Stromspeicher darstellen, würden Industrie, Verbraucher und Umwelt gleichermaßen von einer solchen technologischen Entwicklung profitieren. Allerdings ist die Lebensdauer der Zellen noch zu gering, sodass deren Einsatz momentan weder wirtschaftlich noch praktikabel ist. Doch welche Alternativen stehen neben den Magnesium-Luft-Akkus in den Startlöchern? Greenspeed wagt eine Einschätzung zum Thema Stromspeicher der Zukunft.

Aluminium-Luft-Batterie: Vollständig recyclebar

Forscher am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge (USA) haben Ende 2018 eine Möglichkeit entdeckt, die die Lebensdauer von Aluminium-Luft-Batterien verlängert. Hierbei wird die Metallelektrode, die kontinuierlich und bis zur Funktionsuntüchtigkeit von Elektrolyten „angefressen“ wird, mit Öl geschützt. Die Lebensdauer wird durch dieses Vorgehen auf 24 Tage erhöht, allerdings ist der Prozess sehr kompliziert.

Das Potenzial von Aluminium-Luft-Batterien haben jedoch Wissenschaftler auf der ganzen Welt erkannt. Auch das israelische Unternehmen Phinergy forscht und arbeitet an der Verbesserung der Technologie. Aber auch hier ist die Lebensdauer der Stromspeicher nicht zufriedenstellend, zudem können die Stromspeicher, die immerhin vollständig recyclebar sind, (noch) nicht erneut aufgeladen werden. Um die Entwicklung voranzutreiben, schlossen die Industrieforscher vor rund drei Jahren einen Vertrag mit der Indian Oil Corporation ab. Ziel ist die Entwicklung einer langlebigen Batterie für den Einsatz in Fahrzeugen und für den stationären Betrieb.

Die fehlende Wiederaufladbarkeit der Alu-Luft-Batterien trifft übrigens auch andere Batterietechnologien; so können auch Zink-Luft-Batterien nicht erneut aufgeladen werden, weshalb diese bisher ausschließlich zur Energieversorgung bei Hörgeräten eingesetzt werden können.

Sind Eisen-Luft-Akkus die Lösung?

Neben den Magnesium-Luft-Akkus wird in Deutschland auch an Eisen-Luft-Akkus geforscht. Diese Technologie gilt als interessant, da sie besonders wirtschaftlich sein könnte, schließlich kommt auf der Erde kein anderes Metall so häufig vor wie Eisen. Wissenschaftler am Forschungszentrum Jülich arbeiten in Kooperation mit Kollegen des vom Oak Ridge National Laboratory (US-Bundesstaat Tennessee) zusammen, um die Technologie weiterzuentwickeln. Denn auch hier gibt es generelle Probleme, primär in Form von Eisenhydroxid-Ablagerungen an der Metall-Elektrode, die die Lebensdauer verkürzen. Schließlich basieren Metall-Luft-Akkus auf Oxidation und Reduktion. Bei der Stromentnahme rostet das Eisen durch die Reaktion mit dem in der Luft befindlichen Sauerstoff. Beim Laden der Batterie wird der Prozess umgekehrt, die Sauerstoffatome ziehen sich von der Elektrodenoberfläche zurück – die Eisenhydroxid-Schicht bleibt jedoch zurück und führt dazu, dass die Lebensdauer der Batterie reduziert wird. Vorteile der Eisen-Luft-Akkus: Die Eisenhydroxid-Schicht erhöht die Batteriekapazität. Außerdem hat dieser Batterietyp lediglich eine interne Elektrode (statt zwei Elektroden), wodurch durch pro Volumeneinheit mehr Energie gespeichert werden kann – dadurch ist eine kompaktere Bauform möglich. Unter Laborbedingungen sind über 1.000 Ladezyklen möglich, in Feldversuchen sind es bislang aber nur 30.

Natrium-Akkus– auch hier mangelt es an Reichweite

Auch am Georgia Institute of Technology (Atlanta, US-Bundesstaat Georgia) wird geforscht, unter anderem wird mit Natrium-Akkus experimentiert. Natrium ist deutlich weniger selten und deshalb auch günstiger als Lithium. Allerdings steht auch hier die Reichweite im Fokus der Bemühungen.

Fazit: Wer gewinnt das Rennen um den Stromspeicher der Zukunft?

Noch ist unklar, welche Stromspeicher-Technologie das Rennen um den Titel „Stromspeicher der Zukunft“ machen wird. Klar ist aber, dass das Zeitalter der Lithium-Ionen-Batterien gezählt ist. Forscher in aller Welt arbeiten daran, den technisch möglicherweise bald ausgereizten  Stromspeicher-Standard abzulösen, müssen sich dabei jedoch schwierigen Aufgaben stellen. Es ist zu erwarten, dass nach vielen, vielen kleineren technologischen Fortschritten im Stromspeicher-Segment ein im Vergleich zu heutigen Standards deutlich besseres Produkt entsteht, dass in der Praxis kostengünstiger, effizienter und umweltverträglicher sein wird. Dass dieser Prozess nicht über Nacht geschieht, sollte einleuchtend sein.

Kritiker behaupten: Es gibt zu wenig Lithium, um Elektromobilität massentauglich umsetzbar zu machen

Immer wieder wird behauptet, dass die weltweiten Lithium-Vorräte nicht ausreichen, um eine massentaugliche Elektromobilität zu ermöglichen. Zahlen der US-Geologiebehörde USGS legen wiederum nahe, dass die Welt über enorme Lithium-Vorkommen verfügt. Bliebe die aktuelle Fördermenge identisch, reichen die globalen Lithium-Reserven ca. 437 Jahre. Die Erfahrung hat bei anderen Rohstoffen aber gezeigt, dass bei einer Steigerung von Nachfrage und Preis weitere Vorkommen eines Rohstoffs wirtschaftlich erschlossen und abgebaut werden können. Auch beim Recycling von Lithium-Ionen-Akkus ist noch nutzbares Potenzial vorhanden.  Und ohnehin: Nach aktuellem Stand der Forschung ist es wahrscheinlich, dass Lithium-Ionen-Stromspeicher durch – zum Beispiel einer der genannten – Batterie-/Akkutechnologien ersetzt werden wird.