Speichertechnik Batterie 4.0: Aluminium-Ionen als günstige und ressourcenschonende Alternative

Menschen verbrauchen unglaublich viel Energie, jeden Tag. Im Moment kommt viel davon noch von fossilen Brennstoffen wie Kohle und Öl. Aber die Energiewende ist im vollen Gange, die Infrastruktur für erneuerbare Energien wird ausgebaut. Problematisch ist aber, dass der viele Strom, den uns Wind und Sonne schenken können, auch irgendwo gespeichert werden muss. Denn beide Energiequellen sind nicht rund um die Uhr und zu immer gleichen Bedingungen verfügbar. Effiziente Batteriespeicher sind ein Baustein, um die Energie dann speichern zu können, wenn sie erzeugt wird und sie dann abzugeben, wenn sie benötigt wird und das im besten Fall natürlich mit möglichst geringem Verlust.

Im Moment sind Lithium-Ionen-Batterien weltweit das Speichermedium der ersten Wahl, weil sie eine Reihe von Vorteilen bieten. Aber Alternativen dazu sind unumgänglich, denn in Sachen Kosten, Sicherheit und kritischen Rohstoffen, lassen sie einiges zu wünschen übrig. Und auch das Recycling der Lithium-Batterien ist noch problematisch. Mittlerweile gibt es eine ganze Reihe alternativer Technologien, die die Lithium-Ionen-Batterie ersetzten könnten. Aber die Energiespeicher der nahen Zukunft müssen eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Sie müssen zum Beispiel nachhaltige Zellkonzepte aufweisen, auf kritische Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Kobalt oder Blei verzichten, sicher und relativ kostengünstig sein und die Anforderungen an die Kreislaufwirtschaft erfüllen. Ein vielschichtiges Unterfangen.

Das unter der Leitung des Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB stehende Konsortium INNOBAT, setzt hier an und wirft seinen Hut mit der Entwicklung eines intelligenten elektrischen Speichersystems inklusive der kompletten Neugestaltung der dafür benötigten Konstruktionselemente in den Ring. Ausgangspunkt hierfür ist die Zellchemie der Aluminium-Ionen-Batterie (AIB). Dabei wird auf kritische Rohstoffe verzichtet und mit kostengünstigen, nichtentflammbaren Materialien gearbeitet.

Im Labormaßstab ist es den Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB gelungen, einsatzfähige AIB-Pouchzellen mit hoher Zyklenstabilität, sehr guter Schnellladefähigkeit sowie Energiedichten in Größenordnung der etablierten Blei-Säure-Akkumulatoren herstellen.

Darüber hinaus hat sich das Konsortium aus Wissenschaft und Industrie auf die Fahne geschrieben, ein Moduldesign mit einem neuartigen Batteriemanagementsystem zu entwickeln. Dabei sollen quantenbasierte hochsensitive Sensoren für eine wesentlich genauere Überwachung der Betriebsparameter der einzelnen Batteriezellen sorgen, als bislang üblich war.

Neben Aluminium gibt es aber auch andere reaktive Metalle, die sich gut als Energiespeicher eignen. Silizium, Magnesium, Titan oder Natrium kommen da in Frage. Letzteres ist vor allem attraktiv, weil es einfach aus Meerwasser gewonnen werden könnte, es also eine weitgehend unkritische und günstige Ressource ist. Auch die Produktionskosten wären so erheblich geringer. Außerdem lassen sich Natrium-Batterien schnell aufladen und sind Temperaturschwankungen gegenüber weniger anfällig. Leider können sie bisher in Sachen Energiedichte mit den Lithium-Ionen-Zellen nicht mithalten. Das bedeutet, sie benötigen mehr Platz, um die gleiche Menge an Energie zu speichern. Bei zum Beispiel Elekrofahrzeugen ist das ein großes Problem, denn Platz um eine Batterie unterzubringen ist hier rar. Ebenfalls nachteilig ist hier das höhere Gewicht der Na-Ionen-Batterien. Doch an all den Problemen wird gearbeitet und die Technologie holt stetig auf.

Calcium ist ein Element, das 400mal häufiger vorkommt als Lithium und damit erheblich kostengünstiger ist. Außerdem besitzt es eine hohe Speicherkapazität und ist sicher in Bezug auf Kurzschlüsse. Aber Calcium ist ziemlich reaktionsfreundlich und bildet in Verbindung mit Luft, Feuchtigkeit oder den verwendeten Elektrolyten eine ungünstige Oberflächenschicht aus, die die Ionendiffusion behindern und so ein effizientes Be- und Entladen der Batterie verhindern. Forschende des Helmholtz-Instituts Ulm wollen diesem Problem begegnen, indem sie auf eine Elektrolyten-Alternative auf Bor-Basis setzen.

Redox-Flow- oder sogenannte Flüssigbatterien sind nach einem anderen Prinzip aufgebaut. Sie stellen elektrische Energie aus flüssigen Elektrolytlösungen, häufig auf Basis des Schwermetalls Vanadium, bereit. Diese Batterien haben eine hohe Betriebslebensdauer, eine hohe Betriebssicherheit, eine theoretisch unbegrenzte Zyklenstabilität und eine sehr geringe Selbstentladung. Ein weiterer Vorteil – sie sind geeignet für die Speicherung kleiner und großer Energiemengen. Im chinesischen Dalian ist im vergangenen Jahr ein 400 MWh-Redox-Flow-Speichersystem ans Stromnetz angeschlossen worden. Bei Bedarf könne dieses sogar auf die doppelte Kapazität erweitert werden. Das klingt vielversprechend. Aber: Obwohl Vanadium ein häufiges Element auf der Erde ist, kommt es nicht in Reinform vor und die Lagerstätten mit hohen Konzentrationen des Elements sind selten, viele Vanadiumminerale kommen nicht häufig vor. Nur wenige Länder bauen das Element ab.

Mögliche Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku gibt es viele und vermutlich werden wir in Zukunft nicht auf das eine Speichermedium zurückgreifen, sondern in verschiedenen Bereichen verschiedene Energiespeicher verwenden müssen.

JeS