Der Batteriesektor wird heute von der Lithium-Ionentechnik dominiert. Es wird jedoch an Alternativen wie Natrium- und Zink-Akkus gearbeitet, die gleich mehrere Vorteile bringen: preisgünstigere Rohstoffe, längere Lebensdauer und geringere Umweltbelastungen.

Lithium-Ionen-Batterien sind aus Elektrofahrzeugen, Smartphones, Laptops und vielen weiteren Geräten nicht mehr wegzudenken. Aber dieser „große Fortschritt des letzten Jahrhunderts“, wie er von Jean-Marie Tarascon, Professor für Festkörper- und Energiechemie am Collège de France, bezeichnet wird, könnte sich seinen Ruhm schon bald mit anderen Technologien teilen müssen oder in bestimmten Fällen sogar durch diese ersetzt werden.

Lithium-Ionen-Batterien sind leistungsstark und leicht und deshalb gut für mobile Anwendungen geeignet. Trotz ihrer hohen Energiedichte werfen sie jedoch auch eine Reihe von Problemen auf.

„In den letzten zehn Jahren hat sich die Elektromobilität neu erfunden und es wird derart viel geforscht, dass es bereits in einigen Jahren einen Nachfolger für die Lithium-Ionentechnik geben könnte.“

Die Batteriehersteller suchen nach kostengünstigeren, weltweit verfügbaren Rohstoffen. Das gilt weder für Lithium noch für seltene Metalle wie Kobalt, das in diesen Batterien zur Beschleunigung der chemischen Reaktionen an den Elektroden eingesetzt wird“, erläutert Antoine de Broves, Fachmann für Energiespeicherlösungen bei Omexom (VINCI Energies).

„Lithium ist zwar nicht so selten, kommt aber nur in bestimmten Regionen vor und dessen Gewinnung belastet die Umwelt. Große Vorkommen gibt es in Bolivien und Chile, insbesondere in den Salzpfannen der Anden. Wenn man keine seltenen Erden oder nur begrenzt vorhandene Rohstoffe einsetzt, können die Batterien zu niedrigeren ökonomischen und ökologischen Kosten hergestellt werden.“

Im Labor haben sich die Natrium-Ionen- sowie die Zink-Luft-Technik bisher als besonders vielversprechend herausgestellt“, erklärt de Broves.

Demonstrationsanlage für Natrium-Ionentechnik

Der Heilige Gral der Batterietechnik? Eine ideale Mischung aus geringer Umweltbelastung, niedrigen Kosten, hoher Energiedichte, leichtem Gewicht und großer Langlebigkeit. Bei Omexom wird die technische Entwicklung in den Labors und bei Start-ups wie der Firma Tiamat im nordfranzösischen Amiens sehr aufmerksam verfolgt.

Dieses junge Unternehmen gehört zu den Pionieren, die an der Batterie der Zukunft arbeiten. Es hat eine neue Batteriegeneration in Natrium-Ionentechnik entwickelt und arbeitet an einer ersten Demonstrationsanlage im industriellen Maßstab.

AquaBattery im niederländischen Delft arbeitet ebenfalls an der Natriumtechnologie, denn diese bietet mehrere Vorteile: Kochsalz ist günstig und in großen Mengen vorhanden, außerdem gilt die Technik als langlebig und sicher. Das Leistungs-Energie-Verhältnis ist besser als bei Lithium-Ionenbatterien, weshalb Natrium-Ionenbatterien insbesondere bei Anwendungen mit hohen Leistungen interessant sind.

In Amiens setzt Tiamat auf die schnelle Ladefähigkeit der Natrium-Ionenbatterie, um diese Lösung bei raschen Lade-Entlade-Zyklen und kurzen Laufzeiten einzusetzen. Dies könnte beispielsweise im Mobilitätsbereich für Miet-Elektrofahrräder und -roller oder bei höheren Leistungen für Busse oder industrielle Fördersysteme mit Schnellladestationen der Fall sein.

Derzeit kann die Natrium-Ionentechnik aufgrund der geringeren Reichweite noch nicht in Elektroautos eingesetzt werden. Ihre hohe Leistung prädestiniert sie aber für die Kurzzeitspeicherung, etwa um im Stromnetz in Echtzeit Stromproduktion und -verbrauch aufeinander abzustimmen.

Recycelbare Zink-Luftbatterien

Es gibt eine weitere wirtschaftliche und umweltfreundliche Technik: die Zink-Luftbatterie. Zink ist ein häufig vorkommendes Metall, das in zahlreichen Weltregionen abgebaut wird. Das vom französischen Stromversorger EDF übernommene Unternehmen ZnR Batteries hat sich mit der Zinium-Lösung auf diese Nische spezialisiert. Es experimentiert mit einer Zink-Luft-Stromspeicherlösung für private Haushalte.

Neben der Verfügbarkeit und den geringen Kosten der Komponenten ist diese Lösung recyclingfähig und kann, anders als Lithiumbatterien, nicht überhitzen. Außerdem, so de Broves, „ist die Energiedichte von Zink-Luftbatterien viermal größer als bei Lithium-Ionenakkus“.

Zwar können sie im Mobilitätsbereich aufgrund der längeren Ladezeit kaum mit der Lithium-Ionentechnik konkurrieren, interessant sind sie jedoch als Stromspeicher für den Eigenverbrauch von Privathaushalten und Industriebetrieben. Sie können auch in Microgrids als Speicherlösung eingesetzt werden.

„Egal ob Natrium oder Zink, diese neuen Batterietechnologien haben eine hervorragende Energiedichte und laut Hersteller auch eine hohe Lebensdauer (Anzahl der Ladezyklen). Das ist sehr vielversprechend“, erklärt Antoine de Broves abschließend. „Manche Demonstrationsanlagen sind noch teuer, die Leistungs- und Energieausbeute sind sehr begrenzt, aber in den letzten zehn Jahren hat sich die Elektromobilität neu erfunden und es wird derart viel geforscht, dass es bereits in einigen Jahren einen Nachfolger für die Lithium-Ionentechnik geben könnte.“ Insofern ist die Batterietechnik mit den Anfängen der IT vergleichbar: Jeden Monat gibt es neue Fortschritte.

15/10/2020