Batterietechnologie 08.01.2010, 19:44 Uhr

Frische Luft soll Elektroautos Dampf machen  

Lithium ist einer der wichtigsten Grundstoffe für Batterietechnologien. Die Forschergemeinschaft nutzt zurzeit verschiedene Ansätze, um jenseits der bekannten Lithium-Ionen-Technologie neue Akkumulatoren zu entwickeln, die vor allem den Anforderungen einer kommenden Elektromobilität gerecht werden können. VDI nachrichten, Zürich/München, 8. 1. 10, swe

Die IBM-Forschungslabore in Almaden, Kalifornien und im schweizerischen Rüschlikon bei Zürich haben sich ein neues Projekt auf die Fahnen geschrieben: die Lithium-Luft-Batterie, im Hausjargon kurz „Batt500“. Anders als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien könnte sie eine Möglichkeit darstellen, gleich mehrere Probleme auf einen Schlag zu lösen, die auftreten, möchte man Lithium-Ionen-Technologie als Stromspeicher in Elektroautos nutzen.

Da wäre zunächst das Gewichtsproblem. Lithium als Anode ist bereits eine optimale Lösung, weil es das leichteste Alkalimetall ist aus der zweiten Periode des Periodensystems der Elemente (PSE). Obendrein gibt Lithium leicht Elektronen ab.

Bisherige Lithium-Ionen-Batterien nutzen als Kathode relativ schwere Materialien aus der vierten Periode des PSE. Das bleibt nicht ohne Auswirkung auf das Gewicht der Batterie. Luft hingegen – genauer: der darin enthaltene Sauerstoff – kommt ebenfalls aus der zweiten Periode des PSE und würde als Kathode praktisch gewichtsfrei sein (bis auf das Kathodenmaterial, in dessen Struktur die „Luft“ gespeichert ist).

IBM will den Sauerstoff aus der Umluft verwenden und sehr leichte Kathoden auf Kohlenstoffbasis. Mit beiden Maßnahmen will man – verglichen mit den heutigen Lithium-Ionen-Batterien – eine etwa zehnfache Energiedichte erreichen.

Das soll so funktionieren: Während des Entladevorgangs verbindet sich das Lithium der Anode über einen (von IBM noch nicht spezifizierten) organischen Elektrolyten mit dem Sauerstoffanteil an der Kathode. Dabei werden die Elektronen frei, die man für den Antrieb des Elektromotors braucht.

Um diese Umsetzung vor allem beim energieträchtigen Anfahren zu beschleunigen, will man die Kathoden mit einer möglichst großen Oberfläche ausstatten, damit man sehr viele Reaktionen parallel ablaufen lassen kann.

Theoretisch käme man bei einer Lithium-Luft-Batterie auf etwa 90 % der Energiespeicherfähigkeit wie bei Benzin. Die IBM-Forscher haben es vorgerechnet: Bei Benzin erreicht man etwa 13 kWh/kg Treibstoff, bei einer Lithium-Luft-Batterie rund 11,7 kWh/kg Gewicht. Heutige Lithium-Ionen-Batterien bringen es nur auf etwa 0,1 kWh/kg bis 0,2 kWh/kg Gewicht.

Gewaltig sind die Unterschiede beim Wirkungsgrad zwischen dem jeweiligen Energiespeicher – der Tankfüllung beim heutigen Auto oder einer zukünftigen Lithium-Luft-Batterie – und der Kraftübertragung auf die Räder: Der beträgt beim konventionellen Auto etwa 13 %, bei der Lithium-Luft-Batterie im Elektroauto 88 %.

Eine der ganz großen Herausforderungen könnte das Aufladen der zunächst leeren Batterie sein: Ohne Katalysatoren dürfte das zu langsam gehen. Das größte Problem wird daher das Entwickeln eines solchen Katalysators sein. Derzeit werden solche Katalysatoren von IBM auf den eigenen Supercomputern simuliert, da die physikalische Entwicklung sonst zu lange dauert.

Einen anderen Ansatz verfolgt das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Er nimmt technologisch gesehen eine Mittelstellung ein zwischen den heutigen Lithium-Ionen-Batterien und der futuristischen Vision der IBM-Forscher.

Die Max-Planck-Forscher in Stuttgart setzen auf das Innovationspotenzial der Nanotechnologie. Sie suchen dort die Elektrolyte zu schaffen, die den Ionentransport zwischen der positiven und negativen Elektrode beim Laden und in umgekehrter Richtung beim Entladen verbessern. Dafür hat man „nasse Sande“ entwickelt, Flüssigelektrolyte, in die zum Beispiel Siliziumoxid oder Titandioxid eingelagert sind.

So entstehen verformbare, dennoch aber nahezu feste Massen, die gegenüber flüssigen Komponenten ein viel besseres Kontaktverhalten zu den Elektroden haben. Die Keramikoxid-Nanoteilchen verbessern obendrein die Leitfähigkeit. Eine andere Idee beruht darauf, dass man Elektroden schafft, die ausschließlich bestimmte elektrische Teilchen – Ionen oder Elektronen – aufnehmen können.

Ein anderer Schwachpunkt heutiger Lithium-Ionen-Batterien sind die organischen Elektrolyte: Sie sind brennbar. Tritt eine Überlastung der Batterien ein, können sie sich entzünden. Dies ist mit einer der Gründe, warum die Max-Planck-Gesellschaft hier mit ihren „nassen Sanden“ neue Wege geht. „Sie sind weniger entflammbar“, sagt Joachim Maier, Direktor des Max-Planck-Institutes für Festkörperphysik und dort Leiter der Physikalischen Chemie.

PHIL KNURHAHN

  • Phil Knurhahn

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