Dass Elektroautos mit einer Batterieladung weiter fahren können, ist Wissenschaftlern auf der ganzen Welt zu verdanken, die neue Wege finden, um mehr Energie in ihnen zu speichern. Doch viele der heutigen Batterien haben den Nachteil, dass einige Rohstoffe wie Kobalt und Lithium knapp und teuer sind und teilweise unter schrecklichen Bedingungen abgebaut werden.
Wie toll wäre es, wenn viele dieser Materialien nicht mehr benötigt würden? Hierzu wird viel geforscht. Es gibt bereits Batterien, die weniger oder gar kein Kobalt benötigen. Auch auf Versionen ohne Lithium wird geachtet.
Über den Autor
Bard van de Weijer ist Wirtschaftsredakteur bei de Volkskrant und Spezialist auf dem Gebiet der Energiewende. Er konzentriert sich auf die Probleme, mit denen Verbraucher, Unternehmen und Regierungen konfrontiert sind.
Wissenschaftler erwägen auch Natrium als Ersatz für Lithium. Beide Stoffe dienen in der Batterie als Energietransporter. Der Vorteil von Natrium besteht darin, dass es an viel mehr Orten zu finden ist als Lithium, das heute hauptsächlich in China, Chile und Australien abgebaut wird.
An kommerziellen Natrium-Ionen-Batterien arbeiten unter anderem der schwedische Hersteller Northvolt sowie die chinesischen Unternehmen CATL und BYD. Ihre praktische Anwendung ist jedoch begrenzt, da ihre Lebensdauer kürzer ist und sie weniger Energie speichern können. Dadurch sind Natrium-Ionen-Batterien beispielsweise für den Einsatz in Elektroautos weniger geeignet.
Schnelles Laden, viel Energiespeicher
Die Forschungsgruppe von Marnix Wagemaker, Professor für elektrochemische Energiespeicherung an der TU Delft, hat nun herausgefunden, wie viele der Nachteile überwunden werden können. Donnerstag Ihr Fund wurde veröffentlicht in der wissenschaftlichen Zeitschrift NaturNachhaltigkeit.
Die Delfter Forscher untersuchten insbesondere die Kathode, eine der Elektroden in der Batterie. Um Natrium nutzen zu können, musste es aus einem anderen Material hergestellt werden. Dies liegt daran, dass Natriumionen größer sind als Lithiumionen. Aufgrund ihrer Größe können sich Natriumionen nicht so leicht in bestehende Kathoden hineinzwängen, was zur Folge hat, dass nur wenig Energie gespeichert werden kann und der Ladevorgang zudem langsam ist.
Es gibt Kristallstrukturen für Kathoden, die viel Natrium speichern können, sich aber nicht schnell aufladen lassen. Es gibt auch Varianten, die schnell laden können, aber wenig Speicherplatz bieten. Man will beides, sagt Wagemaker: schnell laden und viel Energie speichern. „Aber wenn man etwas entwickelt hat, das eine höhere Energiedichte bietet, geht das fast immer auf Kosten der Lebensdauer und der Ladegeschwindigkeit“, erläutert er. „Wenn man auf der einen Seite etwas gewinnt, fällt auf der anderen Seite immer etwas vom Tisch.“
Wagemaker und seinem Team ist es nun gelungen, eine Kombination von Kristallstrukturen zu schaffen, die auf beiden Grundstücken gut funktionieren. „Wir haben den ultimativen Ort entdeckt, an dem diese Eigenschaften zusammenkommen“, sagt der Forscher. Ergebnis: schnelles Laden und viel Energiespeicher. Mit einem unerwarteten Bonus; Der Akku hält deutlich länger als bisherige Natrium-Ionen-Varianten.
Längere Lebensspanne
Vergleichen Sie die Kathode mit einem Bücherregal, sagt Wagemaker. Wenn man es mit Natriumionen füllt, entstehen Risse. „Die Kathode platzt dann buchstäblich aus allen Nähten.“ „Es fallen sozusagen immer wieder Regale aus dem Bücherregal.“ Das hat zur Folge, dass immer weniger Bücher darin gespeichert werden können und somit immer weniger Energie zur Verfügung steht – was Smartphone-Nutzer merken, wenn sie mit der Zeit immer früher aufgeladen werden müssen.
Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass „ihr“ Material die Kräfte viel gleichmäßiger über das Bücherregal verteilt. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer. „Wir verstehen noch nicht genau, wie das funktioniert, aber es ist ein schönes Geschenk.“
Mark Huijben, Professor für Nanomaterialien zur Energiespeicherung an der Universität Twente und nicht an der Forschung beteiligt, bezeichnet die Delfter Forschung als wichtig. „Besonders wichtig ist eine längere Lebensdauer, da sich die Kosten der Batterie dann über einen längeren Zeitraum verteilen.“ Laut Huijben passt die Delfter Arbeitsweise auch gut zur bestehenden Praxis bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. Dies erleichtert möglicherweise die Produktion der Batterie.
Perspektive
Die Entdeckung bietet die Möglichkeit für leistungsstarke Batterien, die weitaus weniger seltene Materialien enthalten, obwohl immer noch eine geringe Menge Lithium verwendet wird. Laut Huijben muss dies kein „Megaproblem“ sein. Auch die Gesamtenergiespeicherung ist geringer (rund 20 Prozent) als die der besten Lithium-Ionen-Batterien, aber die Kapazität ist wahrscheinlich größer als die der derzeit auf dem Markt erhältlichen Natriumbatterien.
Wagemaker: „Die Lebensdauer kann um 20 bis 40 Prozent länger sein, sie sind günstiger, haben eine geringere Umweltbelastung und können schneller aufgeladen werden.“ Die Delfter Variante enthält noch Nickel, ein Material, auf das er ebenfalls verzichten möchte. Es gibt bereits einen Batterietyp, der ohne Nickel und Kobalt auskommt, die sogenannte LFP-Version, die bereits in einigen Autos zum Einsatz kommt. Aber es enthält Lithium.“
Werden wir die Erfindung bald in unseren E-Autos und Smartphones sehen? Wagemaker: „Ich werde nie sagen, dass eine Entdeckung alles verändert, aber diese Forschung zeigt, dass die Verwendung von Natrium Perspektiven bietet.“ „Ich bin davon überzeugt, dass Natrium-Ionen-Batterien in den nächsten Jahrzehnten an Bedeutung gewinnen werden.“