Speichertechnologien entwickeln sich laufend weiter. Daraus resultieren neue Arten zur Speicherung von Energien und höhere Kapazitäten. Welche Materialen sind derzeit vielsprechend und wovon kann zukünftig profitiert werden?

Batterien der Zukunft

Lithium-Ionen-Batterien stellen heute eine der besten Technologien für elektrochemische Energiespeicherung dar. Durch die hohe Energiedichte (Energie pro Volumeneinheit) respektive die spezifische Energie (Energie pro Kilogramm Gewicht) erreichen die Batterien eine ausreichend hohe Lebensdauer zur Verwendung in elektronischen Geräten oder Autos. Daneben haben neuartige Materialien wie nanostrukturierte Kohlenstoff- und Schwefel-Verbundkathoden, Festelektrolyte und Legierungsanoden ein hohes Potenzial, um die Leistungsfähigkeit von Zellen signifikant zu erhöhen.

Fortschritt im Blick

Für zukünftige Energiespeichersysteme sind besonders Lithium-Schwefel-Batterien vielversprechend. Im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien haben sie eine höhere spezifische Energie und für die Produktion der Energiespeicher fallen weniger Materialkosten an.

In herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien werden die Lithium-Ionen in Gerüstverbindungen (Interkalationsmaterialien) gespeichert. Schwefel hingegen kann als Aktivmaterial direkt mit Lithium-Ionen umgewandelt werden und dabei 2 Lithium-Ionen pro Schwefelatom aufnehmen. Daraus resultieren ein geringeres Gewicht zur Speicherung der Lithium-Ionen und damit eine höhere Energie pro Gewicht als bei herkömmlichen Batterietypen. „Die Stärke von Lithium-Schwefel liegt vor allem im geringen Gewicht“, erklärt Holger Althues, Leiter der Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik am Fraunhofer IWS Dresden. Deshalb wird Lithium-Schwefel unter anderem bereits für Pseudosatelliten (HAPS) eingesetzt. „Schon jetzt sind Lithium-Schwefel-Prototypenzellen rund 30 bis 40 Prozent leichter als Lithium-Ionenzellen bei gleichem Energieinhalt“, sagt Althues. Dem stehen laut Althues Nachteile gegenüber, die beispielsweise aktuell einen Einsatz in Elektroautos verhindern:  „Dazu gehört unter anderem die geringe Zyklenstabilität. Lithium-Schwefel-Zellen könnten irgendwann bei lediglich der Hälfte oder einem Drittel des Gewichts die volumetrische Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen erreichen.“ Doch erst durch eine insgesamt höhere Technologiereife können auch weitere Anwendermärkte erschlossen werden. 

Elementarer Bestandteil

Mithilfe eines nicht entflammbaren Elektrolyts soll die Zyklenstabilität verbessert werden. Es ermöglicht die Umwandlung des Schwefels an der Kohlenstoffoberfläche der Kathode und verringert damit Korrosionsvorgänge an der Lithiumanode. Gleichzeitig erlaubt das am Fraunhofer IWS Dresden entwickelte Elektrolyt eine hohe Ausnutzung des Schwefels bei geringen Elektrolytanteilen von 2,7 ml pro Gramm Schwefel. Daraus ergibt sich ein rund 40 Prozent geringeres Zellgewicht. Mit klassischen Konzepten waren Werte unterhalb von 3 ml Elektrolyt pro Gramm Schwefel bisher nicht zu erreichen. Die Zugabe von Kohlenstoff wird notwendig, weil Schwefel ein elektrisch isolierendes Material ist. Erst dadurch kann ein elektrisches Gefüge entstehen. 

Bildquelle: Fraunhofer IWS Dresden
Bildlegende: Holger Althues, Leiter der Abteilung Chemische Oberflächen- und Batterietechnik

Zukunftsgerichtet

Holger Althues sieht die derzeit führenden Technologien auch in den kommenden Jahren in der besten Marktposition: „Durch die stetige Weiterentwicklung können Lithium-Ionen-Zellen an viele Bedürfnisse angepasst werden. Deshalb werden sie vermutlich auch in den kommenden 10 Jahren den Speichermarkt dominieren. Bei allen anderen Technologien (Speicher mit hoher Energiedichte) sind noch viele Herausforderungen zu lösen. Für stationäre Anwendungen sind vor allem die Kosten massgebend und hier werden sich möglicherweise kostengünstige Alternativen (z.B. auf Basis von Natrium) durchsetzen.“

Batterieforschung

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden gibt Einblick in die Batterieforschung: http://www.iws.fraunhofer.de/de/zentren/batterieforschung.html

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