Solarzellen sammeln Sonnenstrom, der auch nachts benötigt wird. Elektroautos sind das Fahrzeug der Zukunft, Smartphones laufen stundenlang. Für all diese Anwendungen sind leistungsfähige Akkus entscheidend.

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Janek, Professor der Universität Gießen, glaubt nicht an einen schnellen Erfolg bei alternativen Akku-Modellen.

Janek, Professor der Universität Gießen, glaubt nicht an einen schnellen Erfolg bei alternativen Akku-Modellen.

Franz Möller

Janek, Professor der Universität Gießen, glaubt nicht an einen schnellen Erfolg bei alternativen Akku-Modellen.

Das Grundprinzip eines Akkus ist immer das gleiche: Gibt er Strom ab, wird dazu chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Beim Aufladen fließen die Elektronen dann in die Gegenrichtung. Ursprünglich wurden dafür Blei und Bleidioxid verwendet. Dann kamen Nickel-Cadmium-Akkus, die auch bei großer Kälte noch funktionierten. In den 90er Jahren verbreitete sich der Lithium-Ionen-Akku. Sein großer Vorteil: Er funktioniert auch, wenn der Akku nur teilweise entladen und dann wieder an die Steckdose gehängt wird. Das Prinzip wurde seitdem ständig weiter verbessert. Moderne Lithium-Ionen-Akkus speichern bis zu viermal mehr Energie als die Modelle der Anfangsjahre. Immer weiter tüfteln die Forscher mit unterschiedlichen Materialien, um den Akkus weitere Leistungssteigerungen zu entlocken.

Allerdings halten die bisher verfügbaren Modelle trotz vieler Verbesserungen noch nicht mit den modernen Anforderungen Schritt. Für die Nutzer ist es wichtig, dass sich die Akkus schnell aufladen lassen – auch bei großen Strom-Mengen. Und gerade für Solarenergie müssen riesige Mengen Strom gespeichert werden, wenn diese Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerke überflüssig machen sollen.

Lithium-Ionen-Akkus sind weitgehend ausgereizt

Immer wieder wird von „Super-Akkus“ berichtet, die den Durchbruch bringen sollen. Doch bisher ist noch kein Team so weit, dass es in absehbarer Zeit ein funktionsfähiges Produkt auf den Markt bringen kann. Mal dehnt sich das Material zu sehr aus, wodurch die Haltbarkeit sinkt, mal zersetzen sich die Komponenten gegenseitig. Auch der Preis ist ein entscheidender Faktor für die Nutzbarkeit.

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Grafik: Andreas Ritter

Aufbau eines Lithium-Ionen-Akkus

 

 „Auf lange Sicht arbeiten wir mit Lithium-Ionen-Akkus“, sagt Prof. Jürgen Janek von der Universität Gießen. Zwar forscht sein Team intensiv an anderen Akku-Formen, aber: „Es ist ein mühsamer Kampf. Die ,Superbatterie‘ ist Quatsch. Aus grundsätzlichen Überlegungen heraus ist das nicht möglich.“ Und auch bei Lithium-Ionen-Akkus sei das physikalisch-chemische Limit erreicht – wie schon die Tatsache zeige, dass immer wieder Handy-Akkus in Flammen aufgehen. Trotzdem sei die bekannte Technik nach wie vor die effektivste.

Die Universität Gießen forscht auch am Natrium-Sauerstoff-Akku. Er besticht durch seine billigen Zutaten – ein Lithium-Ionen-Akku hingegen benötigt das seltene Element Cobalt. „Allerdings ist ein Natrium-Sauerstoff-Akku sehr empfindlich gegen Wasser“, erklärt Janek. Bevor die Luft also für die chemische Reaktion verwendet werden kann, muss aufwändig reiner Sauerstoff ohne Spuren von Wasser daraus gewonnen werden. Bisher funktioniert das System auch nur mit wenigen Ladezyklen und ist deshalb ungeeignet für die praktische Anwendung.

Es liegt also noch reichlich Arbeit vor den Forschern. International wird viel Kraft in diese Zukunftstechnologie gesteckt. Besonders Asien hat viel früher als Europa angefangen, mit Batterien zu experimentieren. Janek sieht die deutsche Akku-Forschung zwar auf einem guten Weg, aber auf lange Sicht auch Probleme: „Es gibt kein produzierendes Gewerbe für Batterien und Akkus in Deutschland.“

Was sich in den vergangenen Jahren positiv entwickelt hat, sind die Kosten. Sie sanken schneller als von Experten vorhergesagt. Kostete ein Akku mit einer Kilowattstunde Speicherkapazität 2008 noch durchschnittlich 900 Euro, waren es laut Magazin Nature Climate Change 2014 nur noch 300 Euro. Heute liegt der Wert bei unter 200 Euro. Für Autofirmen spielt der Preis eine wichtige Rolle. Um seinen Auto-Preis bezahlbar zu machen, möchte Tesla auf etwa 100 Dollar pro Kilowattstunde kommen. Die Autoindustrie treibt die Akku-Forschung stark voran. Für sie ist es entscheidend, die Reichweite ihrer Elektroautos zu vergrößern. Sie experimentiert auch mit Lithium-Schwefel-Batterien, die Gewicht und Platz sparen sollen. Oder mit Magnesium, das viel Energie speichern kann. Wir können also sicher sein, dass sich die Akku-Technik trotz aller Schwierigkeiten zwar nicht morgen, aber in den nächsten Jahren und Jahrzehnten deutlich verbessert.

Zahl

4,8 Prozent aller Patente zu Litium-Ionen weltweit stammen zwischen 2005 und 2008 aus Deutschland. Demgegenüber haben die Japaner in diesem Zeitraum 35,4 Prozent der Patente eingereicht, die Koreaner und die USA jeweils gut 16 Prozent und die Franzosen 2,5 Prozent. (Quelle: Fraunhofer Institut) 

Info

- Lithium-Ionen-Akkus sind an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit angekommen
- Neue Akku-Formen schaffen aber noch viel zu wenig Ladezyklen
- Die Preise von Autobatterien sinken derzeit stark