Ob im Smartphone, im Laptop oder im E-Auto: Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen das Speichern von Strom mit einer hohen Energiedichte. Weil sie aber auch gewisse Nachteile haben, wird weltweit an Alternativen geforscht.
Verfasst von Remo Bürgi
Ob in der Mobilität oder bei der Wärmeversorgung von Gebäuden: Strom ersetzt seit einigen Jahren vermehrt fossile Energieträger. Parallel dazu ist die Lithium-Ionen-Batterie zur vorherrschenden Speichertechnik für Elektrizität geworden. Sie ist im Vergleich mit anderen Batterietypen technisch am ausgereiftesten.
Der grösste Vorteil der Lithium-Ionen-Batterie ist die hohe Energiedichte, die sie insbesondere für Anwendungen prädestiniert, bei denen Grösse und Gewicht der Batterie möglichst gering sein müssen. Bei Smartphones, Laptops und E-Autos ist sie daher heute die Standard-Batterielösung.
Die Lithium-Ionen-Batterie hat aber auch technische und ökologische Schwachstellen: Die Kapazität sinkt mit jedem Lade- und Entladezyklus, sie lässt sich nur langsam be- und entladen und je nach Temperatur funktioniert sie unterschiedlich gut.
Dazu kommt, dass einige der verbauten Komponenten wie Lithium und Kobalt selten sind und ihr Abbau eine Belastung für die Umwelt darstellt. Es gibt also gute Gründe, warum weltweit an innovativen Batteriekonzepten geforscht wird, welche die Lithium-Ionen-Technik ergänzen oder sogar ersetzen können.
An der Technischen Universität (TU) Graz forscht ein Team an umweltschonenderen Batterien, die Vanillin als wichtigen Bestandteil enthalten. Das ist kein Schreibfehler: Vanillin, der Hauptbestandteil des natürlichen Vanillearomas, lässt sich aus Lignin gewinnen. Dieser im Holz vorkommende natürliche Stoff fällt bei der Papierherstellung als Abfallprodukt an, und zwar in grosser Menge – rund 50 Millionen Tonnen pro Jahr. Dementsprechend ist auch sehr viel Vanillin verfügbar.
Wird Vanillin entsprechend veredelt, kann es als Elektrolyt in einer Batterie eingesetzt werden. Elektrolyten sind wichtige Bestandteile: Sie sorgen dafür, dass sich elektrische Ladungen innerhalb der Batterie frei bewegen können.
Wie die Forschung an der TU Graz gezeigt hat, lässt sich Vanillin mit simplen Methoden in einen Elektrolyten umwandeln – es sind weder giftige noch gefährliche Chemikalien nötig und der Energieaufwand ist ebenfalls gering. Da es aus biogenen Reststoffen gewonnen wird, sind auch die Umweltauswirkungen um ein Vielfaches geringer als bei Materialien, die erst abgebaut werden müssen.
Eingesetzt wird veredeltes Vanillin bereits in Flüssigbatterien, sogenannten Redox-Flow-Batterien. Diese Batterien können grosse Energiemengen speichern und eignen sich für den stationären Einsatz in Spitälern oder Kraftwerken. Im Vergleich mit Lithium-Ionen-Batterien ist die Brandgefahr geringer und die Langlebigkeit höher. Allerdings werden in Redox-Flow-Batterien bisher oft ökologisch bedenkliche Schwermetalle oder Seltene Erden als Elektrolyten verwendet. Das Vanillin bietet eine Alternative mit deutlich geringeren Umweltauswirkungen.
Auch ein zweites alternatives Batteriekonzept hat einen Bezug zum Kulinarischen, setzt aber auf salzig statt auf süss. Die Salzbatterie wurde bereits vor Jahrzehnten in Südafrika erfunden und später von der AEG in Deutschland weiterentwickelt.
Nach der Übernahme durch Daimler-Benz wurden Salzbatterien in einigen Mercedes-Modellen eingesetzt, der Durchbruch im Automobilsektor blieb aber aus. Daimler verkaufte das Salzbatteriegeschäft an die Firma FIAMM, die – mittlerweile unter dem Namen Horien Salt Battery Solutions – bis heute in Stabio (Kanton Tessin) rund 750’000 Salzbatterie-Zellen pro Jahr produziert. Verwendung finden diese heute vor allem als stationäre Speicher in Haushalten und in Gewerbebetrieben.
Es gibt verschiedene Konzepte für Salzbatterien, die sich insbesondere in der Materialzusammensetzung unterscheiden. Das Prinzip ist aber immer ähnlich und lässt sich gut am Beispiel der Kochsalz-Nickelbatterie erklären. Beim Laden wird das Kochsalz (Natriumchlorid) in seine Komponenten Natrium und Chlor aufgespaltet. Während das Chlor sich mit dem Nickel zu Nickelchlorid verbindet, wird das Natrium innerhalb der Batterie als reines Metall abgeschieden.
Im Vergleich mit einer Lithium-Ionen-Batterie besteht eine Salzbatterie aus unbedenklichen Materialien.
Beim Entladen wird der Prozess umgekehrt, es entstehen wieder die Verbindungen des Ausgangszustands. Das Laden und Entladen dauert dabei länger als bei anderen Batterietypen, weshalb sich die Salzbatterie nicht für den Einsatz im Hochleistungsbereich (z. B. Elektromobilität) eignet.
Damit die chemischen Reaktionen überhaupt ablaufen können, muss die Batterie zudem auf etwa 250 °C erhitzt werden. Mit der Verbreitung von Photovoltaikanlagen auf Wohn- und Gewerbegebäuden hat sich in den vergangenen Jahren aber eine Anwendungsmöglichkeit ergeben, zu der die Salzbatterie mit ihren Eigenschaften sehr gut passt, weil das Aufladen und Entladen kontinuierlicher erfolgt als bei anderen Batterien.
Im Vergleich mit einer Lithium-Ionen-Batterie besteht eine Salzbatterie aus unbedenklichen Materialien. Rund ein Drittel macht das Natriumchlorid – auch als Kochsalz bekannt – aus, das auch in der Schweiz in Salinen gewonnen wird. Auch Keramik als weiterer Bestandteil lässt sich aus Schweizer Tonerde herstellen.
Die weiteren Hauptbestandteile sind das häufig vorkommende Eisen sowie das etwas seltenere Nickel. Dieses ist aber im Vergleich etwa zu Kobalt und Lithium, die in Lithium-Ionen-Batterien verbaut werden, nicht nur in einzelnen Ländern oder Regionen verfügbar.
Die Materialien sind gesundheitlich unbedenklich und die Salzbatterie kann weder brennen noch explodieren. Sie kann daher fast überall aufgestellt werden und benötigt keine zusätzlichen baulichen Massnahmen für Brandschutz, Temperierung oder Belüftung.
Nach der langen Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren, während der die Salzbatterie wartungsfrei funktioniert, lassen sich sämtliche Bestandteile vollständig recyceln.
Die Recylingprozesse sind seit 15 Jahren standardisiert: Die Metalle werden ausgeschmolzen und kommen zurück in die Metallindustrie, das Salz und die Keramik kommen im Strassenbau ein zweites Mal zum Einsatz.
Auch wenn das Konzept der Salzbatterie schon seit vielen Jahren bewährt ist, gibt es dennoch Spielraum für Verbesserungen. Die Empa beispielsweise prüft in einem Forschungsprojekt mit Partnern, wie Metalle mithilfe von Lasertechnik direkt auf Keramik geschweisst werden können. Damit will man die heute zeit- und energieintensive Produktion vereinfachen und nachhaltiger machen sowie die Kosten senken.
Ein weiteres Batteriekonzept, das viel Aufmerksamkeit erhält, ist die Feststoffbatterie. Der Name rührt daher, dass sie im Vergleich mit einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie einen festen anstelle eines flüssigen Elektrolyten verwendet. Das soll die Sicherheit verbessern – flüssige Elektrolyten bestehen in der Regel aus brennbaren Gemischen –, vor allem aber verspricht die Feststoffbatterie eine wesentlich höhere Energiedichte. Elektroautos erhielten so eine deutlich höhere Reichweite.
Ein Video der BMW-Group von 2021
Der feste Elektrolyt ist eigentlich nur ein Mittel zum Zweck, um metallisches Lithium an der Anode einsetzen zu können. Dieses hat eine deutlich höhere Energiedichte als bisher eingesetzte Anodenmaterialien wie Graphit. Sein Nachteil ist, dass es sehr reaktiv ist und nicht mit flüssigen Elektrolyten funktioniert, weil es sogenannte Dendriten bildet. Dabei handelt es sich um astähnliche Kristallstrukturen, die in Batterien durch das Be- und Entladen entstehen können.
Bei einem flüssigen Elektrolyten besteht die Gefahr, dass die Dendriten von einer Elektrode zur anderen wachsen und damit einen Kurzschluss verursachen, der die Batterie zerstört. Durch den Einsatz eines festen Elektrolyten soll dies vermieden werden. Allerdings leiten feste Elektrolyten die Ionen weniger gut als flüssige – in diesem Bereich besteht noch immer Forschungsbedarf.
Wenn es gelingt, die technischen Herausforderungen zu lösen, könnte die Feststoffbatterie eine spannende Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie werden. Dieses Ziel hat sich beispielsweise das Schweizer Unternehmen «Swiss Clean Battery» gesetzt. Es will gemäss der Handelszeitung in Domat/Ems in Graubünden eine «Gigafactory» realisieren, die langfristig 47,5 Millionen Feststoffbatterien pro Jahr produziert und einen Umsatz von 2 Milliarden Franken generiert. Die Finanzierung des Vorhabens ist derzeit aber noch nicht gesichert.
Podcast mit einer Batterieforscherin von 2024
Ein alternatives Batteriekonzept, das an der Schwelle zur Serienreife steht, ist die Natrium-Ionen-Batterie. Von der Lithium-Ionen-Batterie unterscheidet sie sich nicht punkto Aufbau, sondern dadurch, dass sie auf Natrium setzt. Dieses ist in grossen Mengen beispielsweise im Kochsalz verfügbar und entsprechend kostengünstig. Das Konzept kommt ohne Lithium aus, teilweise auch ohne Kobalt, Nickel und Mangan. Das senkt einerseits die Kosten und andererseits die negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Der Nachteil der Natrium-Ionen-Batterie ist bisher die geringere Energiedichte. Für Anwendungen, die eine hohe Leistung erfordern, kommt sie daher (noch) nicht infrage.
Vorreiter bei der Entwicklung dieses Batterietyps sind die chinesischen Batterie- und Autohersteller. Das Unternehmen Sehol baut seit Ende 2023 das erste E-Auto, das serienmässig mit einer Natrium-Ionen-Batterie ausgerüstet wird.
Die im Kleinwagen E10X verbaute Batterie hat eine Kapazität von 25 kWh, er kann damit rund 250 km weit fahren.
Ein alternativer Einsatzzweck ist die stationäre Stromspeicherung, denn dabei spielt die Energiedichte eine untergeordnete Rolle. Im Mai 2024 wurde in China der erste grosse stationäre Natrium-Ionen-Speicher eingeweiht. Mit mehr als 22’000 Zellen hat die Anlage in der Region Guangxi eine Kapazität von 10 MWh. Sie soll in Etappen auf 100 MWh ausgebaut werden und dann 35’000 Haushalte mit Strom versorgen.
Verglichen mit einem Lithium-Ionen-Speicher liegen die Anschaffungskosten der Pilotanlage 20 bis 30 Prozent tiefer. Weitere Vorteile sind die höhere Sicherheit und die geringere Temperaturempfindlichkeit, wobei ein Klimamanagement nötig ist, damit alle Zellen ungefähr gleich warm sind.
Die Leistungsfähigkeit wird durch hohe oder niedrige Temperaturen aber deutlich weniger beeinträchtigt als bei den Lithium-Ionen-Batterien. Zudem lassen sie sich viel schneller be- und entladen. Gut möglich, dass sich die Natrium-Ionen-Batterie vor allem bei stationären Anwendungen am Markt etablieren kann – auch in Europa.
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TU Graz
Ecolyte
Heise
China nimmt 10-MWh-Natrium-Ionen-Batteriespeicher in Betrieb
Kommunikator ZFH, arbeitet bei Faktor Journalisten. Sein Schwerpunkt liegt auf den Themen Energie, Nachhaltigkeit und Mobilität.
Kommentare: Was denken Sie?
Dieter Vogler
Vor 2 Monaten
Es ist sehr zu begrüßen, die neuen Technologien, bedauerlicher Weise werden die bereits vorhandenen Möglichlichkeiten nicht genutzt, alleine in der Lausitz und Mitteldeutschland bestehen ca. 320 km2 künstliche Seen.
Wasser, Flüsse und Seen können tatsächlich als natürliche Energiespeicher genutzt werden, insbesondere durch Pumpspeicherkraftwerke. Diese Anlagen nutzen überschüssige Energie, um Wasser in höher gelegene Reservoirs zu pumpen. Bei Bedarf wird das Wasser wieder abgelassen, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen. Dies ist eine bewährte Methode, um Energie zu speichern und bei Bedarf abzurufen.
Ein weiteres interessantes Konzept ist die Nutzung von Flüssen und Seen zur Kühlung und Heizung von Gebäuden. Durch Wärmepumpen kann die Temperatur des Wassers genutzt werden, um Gebäude effizient zu klimatisieren.
Diese Methoden tragen zur nachhaltigen Energieversorgung bei und nutzen die natürlichen Ressourcen auf intelligente Weise. Faszinierend, oder?
Alleine die nachgewiesende wirksame Sonneneinstrahlung im Januar liegt über den zulässigen Energieverbrauch des neuen Wohnungsbaues – ja wir brauchen nur die Übertragungstechnologie (Rohrleitungen, Pumensysteme ), die Wärmepumpe muss die nötigen Endparameter schaffen, aber alles bereits bewährte Technologien.
Viel Erfolg ! Dieter Vogler
Thomas Elmiger
Vor 2 Monaten
Danke für Ihren Kommentar. Tatsächlich ist es wichtig, auch andere Speicherarten als Batterien zu beachten. In der Schweiz ist das Ausbaupotenzial bei der Wasserkraft als Stromquelle und -speicher allerdings beschränkt, wie wir hier aufgezeigt haben. Als Wärmespeicher sollten wir Gewässer aber sicher noch mehr nutzen, die Seewassernutzung mit Wärmepumpen dürfte dabei im Vordergrund stehen. Aber auch andere thermische Speicher bieten noch viel Potenzial.