Fortschritte in der Batterieforschung – auch dank Analytik
Der CO2-Anstieg und der fortschreitende Klimawandel machen es nötig, mehr E-Autos statt Verbrenner auf die Straßen zu bringen. Aber die zumeist verbauten Lithium-Akkus sind sehr rohstoff- und kostenintensiv. Die Batterieforschung sucht daher intensiv nach Alternativen. Ein neuer Kandidat: Kochsalz.
Die Kritiker der Elektromobilität führen oft das Argument ins Feld, dass E-Autos erst nach etwa 90.000 Kilometern ökologischer als Verbrenner sind, weil die Herstellung der Batterien selbst sehr umweltbelastend und energieaufwendig ist.
Der fortschreitende Klimawandel mit immer mehr steigenden Durchschnittstemperaturen verlangt aber eine Abkehr von fossilen Brenn- und Treibstoffen. Ausgerechnet das sonst so industriefreundliche China geht da mit großen Schritten voran, weil der Smog in den Großstädten und Ballungszentren zur immer größeren Belastung wurde.
Die internationale Batterieforschung arbeitet aus den genannten Gründen mit Hochdruck daran, neue Energiespeicher und wiederaufladbare Batterien zu finden. Die meisten davon basieren immer noch auf der Lithium-Ionen-Technik. Diese haben aber den Nachteil, dass die Rohstoffe wie Lithium und Kobalt eben sehr die Umwelt belasten, schwer abzubauen sind und immer knapper werden. Als Hoffnungsträger gilt, diese durch Natrium-Ionen-Akkus zu ersetzen. Da Natrium meist in Form von Natriumchlorid vorkommt, kann man sagen, dass Kochsalz die Lösung wäre.
Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 1,5 Millionen Euro geförderte Verbundprojekt „Transition“ für eine nachhaltigere Energiespeicherung arbeitet laut der Redaktion der Münchener Messe Analytica an Alternativen zu herkömmlichen Li-Ion-Akkus und an der Erforschung neuer Materialien und Elektrolyte für Natrium-Ionen-Batterien der nächsten Generation.
Batterie aus dem Tintenstrahler
An dem Projekt beteiligt sind das Helmholtz-Institut Ulm (HIU), das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und die kurz auch FSU genannte Friedrich-Schiller-Universität Jena.
Wie Professor Dr. S. Ulrich Schubert vom Zentrum für Energie- und Umweltchemie der FSU sagt, konnte seine Arbeitsgruppe „erstmals eine durch Tintenstrahl-Druck erzeugte Dünnfilm-Batterie vorstellen“. Grundlage dafür war die 2011 gestartete intensive Erforschung von Polymeren als Aktivmaterialien, die seine Arbeitsgruppe patentiert hat. „Die Forma Evonik Industries AG ist gerade dabei, diese neuen Polymere als druckbare Tinten zu kommerzialisieren“, so der Professor weiter.
Die metallfreien neuen Batterien sollten nachhaltiger, umweltfreundlicher, kostengünstiger und dennoch sehr hochleistungsfähig sein. Als mögliche Einsatzbereiche der druckbaren Dünnfilm-Batterien nennt Schubert RFID-Tags, „Pflaster“ zur Übermittlung von Gesundheitsfunktionen bis hin zu intelligente Kleidung. Batterien auf Kunststoffbasis mit Polymeren als Aktivmaterialien sollen zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Li-Ion-Akkus haben. Das fängt mit einem deutlich kleineren CO2-Fußabdruck bei der Herstellung an. Außerdem sind die Materialien weit weniger toxisch und entflammbar. Hinzu kommt, dass man sie eben per Drucktechnik verarbeiten kann.
Auch bei der Anwendung, bei der Entsorgung und beim Recycling sollen sich die neuartigen Batterien als umweltfreundlicher und kostengünstiger erweisen. Der Verzicht auf Schwermetalle macht sie zudem deutlich nachhaltiger.
Natrium-Ionen-Akkus verzichten auf Schwermetalle
Der Prototyp einer Natrium-Ionen-Batterie des Verbundprojekts Transition besteht dem Fachmagazin zufolge auf Seite der Anode aus Hartkohlenstoff auf Biomassebasis in Kombination mit einem wässrigen Bindemittel und Aluminium als Stromabnehmer sowie aus Übergangsmetalloxiden auf Kathodenseite.
Was die Elektromobilität angeht, werden Natrium-Ionen-Batterien die Li-Ion-Akkus nicht ersetzen, sondern zunächst nur ergänzen können, wie es aus Forscherkreisen heißt. Große Potenziale räumt die Batterieforschung bei Berücksichtigung verschiedener Sicherheitsaspekte derweil auch der Wasserstofftechnologie ein.
Neuartige Analytik beziehungsweise Analysemethoden sollen dabei unverzichtbar sein, um die Materialzusammensetzung der Elektrolyte und anderen Komponenten zu bestimmen. Eine Grafik der Analytica 2020 zeigt, wo Natrium-Ionen-Akkus auch dank neuartiger Analyseverfahren ihre Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien ausspielen. So finde sich auf Seite der Kathode keine Lithium-Metalloxid, sondern leichter herstellbares Übergangsmetalloxid. Dadurch sind Natrium-Ionen-Batterien sehr viel umweltfreundlicher und kostengünstiger in der Herstellung, weil diese ganz auf Schwermetalle verzichten, was auch der Entsorgung und dem Recycling zugutekommt.
Quelle Titelbild: Unsplash / danilo.alvesd
