Aufgeladen: Die Zukunft der Batterien

Bevor Sie Ihren Morgenkaffee zubereiten, schließen Sie Ihr Auto an. Bis der Kaffee fertig ist, ist der Ladezustand des Autos von null auf 100 gestiegen, so dass Sie hunderte von Kilometern im Auto sitzen und zu Ihren Geschäftsterminen fahren können. Dieses Szenario ist eine beginnende Realität, die sich aus den jüngsten Durchbrüchen in der Batterietechnologie ergibt. Von Elektrofahrzeugen bis hin zu Smartphones und Großspeichern haben sich Anpassungen und Alternativen zum derzeit führenden Batteriemodell, dem Lithium-Ionen-Akku, durchgesetzt. 

Was ist am Horizont zu sehen?
Es gibt eine immer länger werdende Liste neuer Technologien, die die Zukunft der Batterien eröffnen könnten - einige sind praktikabler als andere. Eine Verbesserung der lithiumbasierten Batterien ist die Entwicklung so genannter Li-Ionen-Festkörperbatterien, von denen die vielversprechendsten Graphen verwenden. Diese Technologie bietet eine höhere Stabilität, eine längere Lebensdauer und eine deutlich höhere Ladegeschwindigkeit. Samsung hat angekündigt, dass es eine auf Graphen basierende Batterie entwickelt, die das Potenzial hat, die Batteriekapazität um fast 50% zu erhöhen und die Ladegeschwindigkeit um 500% auf etwa 12 Minuten für eine Vollladung zu steigern. Die Auswirkungen sind auch für den Markt für Elektrofahrzeuge vielversprechend: Graphen-Batterien könnten Ladegeschwindigkeiten ähnlich denen von Smartphones und eine Reichweite von 500 km bieten.
Eine innovative Modifikation aktueller Lithiumbatterien verwendet Sand anstelle von Graphit und erzielt damit dreimal bessere Ergebnisse als herkömmliche Lithiumbatterien. Da sie Sand verwenden, sind sie auch wesentlich billiger in der Herstellung und ungiftig und umweltfreundlich.
Eine weitere umweltfreundliche Lösung ist Wasser. Flüssigkeitsstrombatterien verwenden pH-neutrales Wasser, um Energie über lange Zeiträume zu speichern, und können auch zur Stromerzeugung verwendet werden. Ein Unternehmen in Australien arbeitet daran, die größte Batterie der Welt zu bauen, indem es einen natürlichen See und ein System aus Turbinen und Tunneln nutzt. Auch Smartphone-Hersteller sehen ein Potenzial in der Nutzung dieser Technologie für kleine Anwendungen.
Natrium-Ionen-Batterien sind ein weiterer bemerkenswerter Anwärter. Diese Salzbatterien könnten bis zu siebenmal effizienter sein als ihr Li-Ionen-Pendant. Auch wenn die Kommerzialisierung vielleicht noch ein Jahrzehnt entfernt ist, könnten Salzbatterien Lithiumbatterien vollständig ersetzen, da sie wesentlich billiger in der Herstellung sind und gleichzeitig eine bessere Leistung bieten.
Weitere Technologien, die derzeit für Batterien erforscht und entwickelt werden, sind Photosynthese, Gold-Nanodrähte, Brennstoffzellen, Solarbatterien, Schaumstoffbatterien und tragbare Batterien.

Wie ist die Lage heute?

Tesla ist bereits der größte Abnehmer von Lithium-Ionen-Batterien und auf dem besten Weg, dank der Tesla Gigafactories auch der größte Hersteller zu werden. Die erste - in Nevada, USA - wird Lithium-Ionen-Batterien herstellen, von denen Tesla ungefähr das Äquivalent des derzeitigen weltweiten Angebots benötigt. Die Fabrik ist ein gemeinsames Projekt von Tesla und dem japanischen Unternehmen Panasonic, und Tesla hofft, bis 2020 Batteriepakete zu einem Preis von weniger als $100 pro kWh herstellen zu können. Um die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien zu senken, müssen Anreize für die Nutzung alternativer Energiequellen geschaffen werden, und CEO Elon Musk plant, in naher Zukunft viele weitere Gigafactories zu bauen. Für die geplante Tesla-Gigafabrik in Europa hat er Berichten zufolge unter anderem die Tschechische Republik und Finnland in Betracht gezogen.
Zu den bekanntesten Batterielieferanten gehören Samsung und LG Chem, aber China ist dicht dahinter. Aufgrund des Ausmaßes der prognostizierten Nachfrage - ein Ergebnis der sich entwickelnden Elektrofahrzeuge und Speichersysteme - sind die Anforderungen an die Herstellung von Batteriezellen so hoch wie nie zuvor. In den letzten drei Jahren hat sich die Produktionskapazität für Batteriezellen mehr als verdoppelt, vor allem dank der chinesischen Zellproduktion, die bereits einen größeren Anteil an der weltweiten Produktion hat als die japanische.
Ein würdiger Gegner findet sich direkt in der Tschechischen Republik: HE3DA Ltd. Als selbsternannter Innovator in der angewandten Forschung und Kommerzialisierung von Batterietechnologien macht sich HE3DA die hohe Lade- und Entladegeschwindigkeit von Batterien auf Nanotechnologiebasis zunutze. Nach zahlreichen Tests haben die Forscher einen Weg gefunden, die Batteriesicherheit zu erhöhen und die Produktionskosten um etwa ein Zwanzigstel der derzeitigen Norm zu senken.
HE3DA hat sich mit European Metals zusammengetan, das die Explorationsrechte rund um das tschechische Dorf Cínovec besitzt. Der Ort ist so reich an Lithium, dass er etwa 3% der weltweiten Lithiumvorräte ausmachen könnte und damit die größte Ressource Europas wäre. Die unmittelbare Nähe zur deutschen Grenze, die lange Bergbautradition und die hohe Arbeitslosenquote haben viele Produzenten angezogen. Daimler, Eigentümer von Mercedes-Benz, baut seine zweite Fabrik für Lithiumbatterien in einer deutschen Stadt, die nur 90 km von dem Dorf entfernt ist.

Antrieb für die Zukunft
Der Wettbewerb um die perfekte Batterie ist in der Automobilbranche am stärksten ausgeprägt. Analysten zufolge werden E-Fahrzeuge bis 2040 eine weltweite Industrie mit einem Volumen von $240 Mrd. darstellen, die in 20 Jahren bis zu 40% der weltweiten Fahrzeugkäufe ausmachen wird. Das bedeutet, dass jährlich 40 Millionen E-Fahrzeuge verkauft werden, selbst wenn der weltweite Fahrzeugmarkt kein Wachstum verzeichnet.
Derzeit werden E-Fahrzeuge hauptsächlich mit wiederaufladbaren Li-Ionen-Batterien betrieben. Ihre hohe Energiedichte gewährleistet eine für die meisten E-Fahrzeuge ausreichende Lebensdauer, und sie werden immer erschwinglicher. Allerdings sind Li-Ionen-Zellen auch relativ zerbrechlich und temperaturempfindlich, und obwohl sie eine lange Lebensdauer haben, ist eine allmähliche Verschlechterung fast sofort zu beobachten, selbst wenn sie nicht benutzt werden.
Eine Lösung könnte darin bestehen, die Flüssigkeit durch einen Feststoff zu ersetzen. Der flüssige Elektrolyt in aktuellen Li-Ionen lässt geladene Teilchen durchfließen. Bestimmte Feststoffe ermöglichen diesen Durchfluss ebenfalls, allerdings nicht mit der für Hochleistungsgeräte erforderlichen Geschwindigkeit. Toyota hat jedoch erklärt, dass es bis 2020 ein neues Elektroauto auf den Markt bringen wird, das mit einer Lithium-Festkörperbatterie betrieben wird. Sollte diese Festkörperbatterie zum Einsatz kommen, würde sie das Risiko einer Verbrennung ausschließen und den Weg für eine Vollmetallanode ebnen, die eine höhere Energiekapazität bietet. Dies wäre bahnbrechend.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Herrschaft der Batterien endet, da Unternehmen wie General Motors (GM), Toyota, Volkswagen und sogar UPS wasserstoffbetriebene E-Fahrzeuge entwickeln, die die Reichweite anderer E-Fahrzeuge pro Betankung übertreffen. Wasserstoff bietet saubere Energie, wobei die einzigen Endprodukte Wärme und Wasser sind. Ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektroauto verfügt über einen Elektromotor, der jedoch an Bord Strom aus gespeichertem Wasserstoff erzeugt. Die Gewinnung von Wasserstoff ist jedoch problematisch: Er muss unter Druck gesetzt und in Tanks gelagert werden, die viel größer sind als der Tank eines Benzinfahrzeugs, und sie ist sehr zeitaufwändig. Weitere Fortschritte sind daher unabdingbar, um diese Technologie voranzutreiben.