Auf der Suche nach dem Super-Akku
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Der Lithium-Abbau in der Atacama-Wüste in Chile steht wegen Umweltschäden in der Kritik
Neue Akkus sollen möglichst leistungsstark, leicht und kompakt sein – und ohne kritische Rohstoffe wie Lithium, Mangan oder Kobalt auskommen.
Ohne Stromspeicher keine Energiewende. Akkus sind allgegenwärtig, etwa in Elektrogeräten – trotzdem wird zu dem Thema weiterhin massiv geforscht, denn die bisherigen Technologien decken nicht alle (künftigen) Herausforderungen ab. Akkus werden noch wichtiger, etwa in der Stabilisierung der Stromnetze, in der Mobilität oder in der Industrie.
Der KURIER hat mit Hilfe von Marcus Jahn, Leiter der Abteilung Batterietechnologien am Austrian Institute of Technology (AIT), einen Überblick über die wichtigsten Technologien erstellt.
Lithium-Ionen-Akkus
Der Standard sind derzeit Lithium-Ionen-Akkus, sie finden sich nicht nur in Elektrogeräten, sondern etwa auch in den meisten Elektroautos. Allerdings bringen sie einige Probleme mit sich: Sie brauchen teils teure und kritische Metalle wie Lithium, Nickel, Mangan oder Kobalt. Die Gewinnung ist umweltschädlich und verbraucht viel Energie. Das macht Lithium-Ionen-Akkus relativ teuer, bei E-Autos etwa ist der Akku der teuerste Bauteil. Der flüssige Elektrolyt ist zudem giftig und schwer zu löschen, wenn er Feuer fängt.
Eine günstigere Variante von Lithium-Ionen-Akkus sind Lithium-Eisenphosphat-Akkus, die mit weniger kritischen Rohstoffen auskommen. Die Energiedichte ist mit 210 Wattstunden pro Kilogramm etwas niedriger als bei Lithium-Ionen-Akkus, zu den Stärken gehören schnelle Ladezyklen und eine lange Lebenszeit. Sie werden beispielsweise oft in Werkzeugen wie Akkuschraubern verwendet. Auch bei leichteren Autos kommen sie zum Einsatz, beispielsweise beim BYD Dolphin. Der chinesische Batteriekonzern CATL hat eine Variante mit doppelter Energiedichte angekündigt, bisher ist diese aber noch nicht am Markt.
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Auch Natrium-Ionen-Akkus werden in leichteren Autos bereits eingesetzt. Statt dem Lithium kommt hier Natrium zum Einsatz, für gewöhnlich enthalten sie aber Kobalt, Mangan oder Nickel. Der Elektrolyt ist auch hier giftig und brennbar, die Energiedichte mit etwa 160 Wattstunden/kg aber deutlich niedriger. Der größte Vorteil ist, dass das Leichtmetall Natrium zu den am häufigsten vorkommenden Elementen der Welt gehört, es ist etwa in Meersalz erhalten.
Feststoffakkus
Viel Hoffnung ruht seit Jahren auf sogenannten Feststoffakkus, die ebenfalls mit Lithium, aber ohne flüssigen Elektrolyt funktionieren. Sie versprechen hohe Leistung und Sicherheit bei kurzer Ladezeit. Toyota hat eine Serienproduktion ab 2028 angekündigt.
„Gerade bei den Zeitplänen wäre ich vorsichtig“, sagt dazu Jahn. Der Stand der Technik sei „noch weit entfernt von einer standardisierten Produktionsmethode“. Vor allem was die Schnellladefähigkeit angeht, habe er wissenschaftliche Zweifel. Geforscht wird auch an Akkus, die weitgehend Feststoffakkus sind, die aber Flüssigkeit enthalten („almost solid state batteries“, Anm.).
Flussakkus
Ein ganz anderer Zugang steht hinter Flussbatterien (Redox-Flow-Akkus). Bei dieser Bauform sind die „Reaktionspartner“ in Flüssigkeiten gelöst, die durch eine Membran getrennt miteinander reagieren.
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Marcus Jahn forscht am AIT zu Batterien
„Das muss man sich vorstellen wie Tanks“, erläutert Jahn, diese werden etwa in Schiffscontainern untergebracht. Die Verwendung von Flüssigkeiten macht die Systeme nahezu brandsicher, die Akkus halten je nach Bauweise bis zu 25 Jahre ohne dabei viel Leistung zu verlieren. Reparaturen sind weitgehend unkompliziert, sagt Jahn und die Anlagen sind gut skalierbar. „Es kommt buchstäblich nur darauf an, wie groß ich meinen Tank bauen möchte“.
Geeignet sind sie deswegen vor allem als stationäre Stromspeicher, etwa um Überschusserzeugung bei Windrädern aufzunehmen, die nicht ins Stromnetz eingespeist werden kann. Auch für manche Industriebetriebe könnten sie interessant sein. Die Energiedichte ist zwar deutlich geringer als bei den anderen Technologien, die Systeme werden während des Einsatzes aber auch nicht transportiert. Die relevante Bemessung ist bei diesen Anwendungen deswegen oft nicht Wattstunde pro Kilogramm, sondern Preis pro Kilowattstunde pro Ladezyklus.
Grüner Akku im Test
Die meisten kommerziell verfügbaren Flussbatterien funktionieren mit Vanadium, sagt Jahn. Neuer Konzepte funktionieren mit organischen Materialien, im Burgenland ist seit 2023 etwa eine solche „grüne Batterie“ des deutschen Unternehmens CMBlu im Pilot-Einsatz. Im Wind- und PV-Hybridpark Schattendorf von Burgenland sollen noch Tests unter realen Bedingungen durchgeführt werden. Auf Anfrage des KURIER heißt es, die bisherigen Daten „entsprechen den Erfahrungen aus dem Labor“. Marktreife soll 2025 erreicht werden.
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