Alles Lithium oder was?

Dr. Fabienne Gschwind zu lithium-unabhängige Batteriesystemen
Autorin: Dr. Fabienne Gschwind

Eine einfache Frage: Wieviel Lithium haben Sie gerade bei sich? Ein Handy, ein Tablet oder Laptop, einen MP3-Player oder eine Digitalkamera? Vielleicht haben Sie sogar ein Elektrofahrrad oder ein E-Auto in der Garage? Alle diese Geräte besitzen Akkus aus Lithiumverbindungen.

 

Dank seiner Stellung im Periodensystem und der damit verbundenen Elektronenkonfiguration hat sich das Element Lithium als ein Träger der modernen Energiespeicherung in vielen elektrischen Geräten entpuppt. Natürlich wird Lithium nicht als elementares Metall, jedoch als Verbindung verwendet und dient auch als Ladungsträger. Dennoch ist es ein Nachteil, ein so hochreaktives Material mit sich herumzutragen. Ebenso hat die Energiedichte (also die Menge an Energie, die gespeichert werden kann) eine maximale Grenze, die trotz des enormen Forschungsaufwands nicht mehr zu überbieten sein wird.

 

Aus diesem Grund hat sich in letzter Zeit das Forschungsinteresse an sogenannten Post-Lithium-Batterien verstärkt, was sich in Konferenzen mit klangvollen Titeln wie “Beyond Lithium” niederschlägt. Häufig stehen die futuristischen Lithium-Luft- und Lithium-Schwefel-Batterien, die immer noch Lithiumverbindungen als Bestandteil haben, im Mittelpunkt des Interesses. Allerdings wird in einigen Nischen bereits nach leistungsstarkem Ersatz für die dominanten Lithiumbatterien geforscht. Hier ein kleiner Überblick über vier lithium-unabhängige Batteriesysteme.

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Magnesium-Batterien

Im Vergleich zu Lithium kann Magnesium jeweils zwei Elektronen abgeben und aufnehmen, was es zu einem sehr interessanten Stoff für die Batterieforschung macht. Magnesium-Batterien sind zurzeit die am besten erforschten Kandidaten für lithiumfreie Alternativen auf dem Feld der „Hochspannungsbatterien" – nicht zuletzt weil der Autohersteller Toyota die Forschung aktiv vorantreibt, um seine Elektroautos in Zukunft mit solchen Batterien ausstatten zu können. Die Vorteile liegen auf der Hand: Magnesium ist weniger reaktiv und damit weniger gefährlich. Des Weiteren ist es günstiger herzustellen: denn es reagiert weniger schnell mit Luft als Lithiummetall und kann dadurch einfacher gehandhabt werden. Außerdem kommt Magnesium bei uns in großen Mengen vor, zum Beispiel in Form vom Gestein Dolomit, was niedrigere Preise zur Folge hat. Solche Batterien könnten demnach auch als stationäre Energiespeicher, zum Beispiel in Windkraftwerken, interessant sein.



Natrium-Ionen-Batterien

Natrium, das eine Periode tiefer im Periodensystem steht als Lithium, ist in riesigen Mengen auf der Erde zu finden: zum Beispiel in Form von Speisesalz (NaCl) sowohl in Lagerstätten, als auch in allen Weltmeeren. Doch durch die zusätzliche Elektronenschale sind die Speicherkapazitäten etwas begrenzter, wie man in der Abbildung unten sehen kann. Das Hauptproblem ist momentan, dass Hochleistungsbatterien wie Natrium-Schwefel-Batterien nur bei hohen Temperaturen von ca. 200 bis 300 Grad Celsius funktionieren. Doch in der Forschung wird zurzeit an Natrium-Ionen-Batterien gearbeitet, die auch bei Raumtemperatur funktionieren. Die im Moment erreichten gravimetrischen Energiedichten liegen bei 110 Wh/kg, was bedeutet, dass noch viel Spielraum nach oben bleibt.

Anionen-Batterien: Fluorid- und Chlorid-Ionen-Batterien

Die oben gezeigten Batteriesysteme basieren allesamt auf Alkali- und Erdalkalimetallen. Dabei handelt es sich um elektropositive Elemente, also um Elemente, die ihre Elektronen in der äußersten Schale unbedingt abgeben wollen, um einen energetisch optimalen Zustand zu erreichen: eine geschlossene Schale. Als Gegenspieler dazu stehen die elektronegativen Elemente, die ein zusätzliches Elektron aufnehmen müssen, um einen energetisch optimalen Zustand (geschlossene Schale) zu erreichen. Vertreter solcher Elemente sind typischerweise in der Gruppe der Halogene zu finden, wie Fluor oder Chlor. Beide können dadurch ebenfalls in Batterien verwendet werden. Jedoch nicht in ihrer elementaren Form als giftige Gase, sondern in ihrer geladenen Form, als Fluorid- (F-) und Chlorid-Ionen (Cl-). Fluoridsalze sind aus der Zahnpasta bekannt und das Chlorid-Ion ist ein Bestandteil von Kochsalz. Beide Rohstoffe kommen in Mitteleuropa in größeren Mengen vor. Vor allem Fluoridbatterien könnten es, mit ihrer hohen theoretischen volumetrischen Energiedichte (also die gespeicherte Energiedichte bei einem bestimmten Volumen), mit den Lithiumbatterien aufnehmen. Allerdings steckt die vielversprechende Forschung noch in Kinderschuhen und es wird noch viel Entwicklung und Förderung nötig sein, um diese Systeme kommerziell nutzen zu können.

Fazit

Wie man sieht, gibt es durchaus Alternativen zur elektrochemischen Energiespeicherung gegenüber den „übermächtigen“ Lithiumbatterien. Dennoch wird es noch Jahre dauern, bis diese für den Alltagsgebrauch zur Verfügung stehen. Dies hängt vor allem davon ab, wieviel in ihre Forschung investiert wird.

 


Autorin: Dr. Fabienne Gschwind

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