Batterieforschung : Der Superspeicher aus Kochsalz

Wir kennen alle die verschiedenen Batteriesorten. Von der Bleibatterie im Auto über die Nickel-Metallhydridbatterie in Hybridfahrzeugen und in tragbaren Geräten, bis hin zur Nickel-Cadmiumbatterie, die aber zunehmend ein Nischendasein führt. Unter allen Kandidaten ist die Lithium-Ionenbatterie (LIB) zum unbestrittenen Gewinner geworden, denn sie ist mittlerweile in Preis und Leistungsfähigkeit unerreicht. Seit ihrer Markteinführung durch Sony im Jahre 1991 hat sich ihre Speicherkapazität vervierfacht – während der Preis um den Faktor 18 gesunken ist. Alleine in den vergangenen zehn Jahren hat sich die Speicherkapazität verdoppelt, gleichzeitig ist der Preis für Batteriezellen um 90 Prozent gesunken, Tendenz weiter fallend. Das ist konkurrenzlos. 

Ein wichtiger Faktor für den Preisverfall sind neben den Fertigungskosten auch die Rohstoffpreise, insbesondere auf der Seite des Pluspols, der Kathode. Durch neue Materialien und verbesserte Fertigungstechniken wurde erreicht, dass sich der Preis für Zellen aktueller Lithium-Ionenbatterien mittlerweile nahe der magischen Grenze von 100 US-Dollar pro Kilowattstunde Speicherkapazität bewegt – eine Grenze, unterhalb der Batteriefahrzeuge billiger werden als Verbrenner. Der Preis für Nickel-Metallhydridbatterien liegt derzeit etwa achtmal darüber. 

Kobalt wird aus dem Pluspol verbannt

Erste Verbesserungen, welche zu kostengünstigeren – und zugleich nachhaltigeren – Batterien führten, wurden von Wissenschaftlern und Ingenieuren schon früh in Angriff genommen. So wurde bereits in den 1990er-Jahren damit begonnen, teure und giftige Rohstoffe wie das derzeit viel kritisierte Kobalt etappenweise aus dem Pluspol der Batterie zu verbannen.

Mit Erfolg, wie wir heute feststellen. Die Batterien von Tesla enthalten aktuell nur noch 2,8 Prozent Kobalt im Pluspol, und die ersten Modelle verschiedener Hersteller fahren sogar bereits komplett ohne Kobalt, auf der Basis des deutlich kostengünstigeren Eisenphosphats zum Beispiel. Mittlerweile ist eine regelrechte „Materialdämmerung“ zu beobachten, da immer mehr Hersteller diese Richtung einschlagen. Im Saarland wird gerade eine Gigafabrik für Batteriezellen aufgebaut, die ebenfalls komplett ohne Kobalt auskommen.

Ist die Batterie damit nachhaltig? Nicht ganz. 

Denn das Lithium, welches für den Betrieb der Batterie als unverzichtbar gilt, wird ebenfalls als „kritischer“, das heißt gegebenenfalls schwer zu beschaffender Rohstoff, eingestuft. Es gibt Bedenken wegen des Wasserverbrauchs und Beeinträchtigungen der Umwelt beim Abbau. Bezüglich des Wasserverbrauchs wird oft Kritik geäußert, aber leider fußt diese oft weder auf belastbaren Zahlen noch setzt sie den Wasserverbrauch des Lithiumabbaus in Relation zu dem anderer Verbraucher in der Gegend.

Zuverlässige Quellen scheinen die Daten des chilenischen Minenministeriums zu sein, welches die Wasserrechte in der betroffenen Atacama-Region vergibt und streng über deren Einhaltung wacht. Ein Datenvergleich zeigt hier, dass der oft kritisierte Lithiumabbau am Atacama-Salzsee etwa so viel Frischwasser verbraucht wie die Hotels dort, während der Kupferabbau in der Region etwa die achtfache Wassermenge benötigt. Die Gegend um den Salzsee ist generell sehr trocken, und es gibt Wassermangel. Das sind unbestreitbare Tatsachen – der Lithiumabbau spielt dabei aber nur eine untergeordnete Rolle. 

Lithium-Vorräte reichen für die nächsten 50 Jahre

Weiterhin stellen sich Wissenschaftler und Analysten die Frage, wie lange das Lithium noch ausreicht bzw. ob man genügend davon in immer größeren Mengen auf den Markt bringen kann, ohne dass es zu Lieferengpässen kommt. Nicht nur die Elektromobilität, sondern insbesondere auch der stark wachsende Sektor der Stationärspeicher lässt erwarten, dass die Versorgung mit Lithium unter Druck geraten könnte. Nach dem, was man abschätzen kann, reichen die Vorräte zwar noch für die nächsten 50 Jahre, es muss aber auch zeitnah und schnell genug gefördert und auf den Markt gebracht werden können.

Um diesem Druck zu begegnen, gibt es im Wesentlichen zwei Wege, die derzeit verfolgt werden. Erstens kann das Lithium recycelt werden – und zweitens kann es vielleicht auch ganz ersetzt werden. Hier gibt es in neuerer Zeit eine bemerkenswerte Entwicklung, die ein hohes Potenzial zu haben scheint. Seit einigen Jahren beschäftigen sich Forscher nämlich mit der Frage, ob man den Wanderer Lithium nicht auch durch Natrium-Ionen ersetzen kann.

Natrium ist im Kochsalz (Natriumchlorid) und vielen anderen Mineralien enthalten und gehört zu den häufigsten Elementen in unserer Erdkruste. Es ist nicht giftig, und es kostet auch nicht viel. Aber es ist größer und schwerer als Lithium. Ein Nachteil wäre also, dass diese Natrium-Ionenbatterien (NIB) auch schwerer und größer sein müssten als die heutigen Lithium-Ionenbatterien. Damit wären wir bei der Aufzählung der Nachteile aber schon beinahe am Ende. Wie ist also der Stand?

Über das Konzept einer Natrium-Ionenbatterie wurde erstmals Ende der 1960er-Jahre berichtet, und es gab die eine oder andere Grundlagenarbeit, die sich mit dieser neuen Technik beschäftigte. Richtig Fahrt nahm die Entwicklung aber erst 2010 auf, als über erste Durchbrüche publiziert wurde, welche die Technik nun plötzlich auch als aussichtsreich für technische Anwendungen erschienen ließen.

Nach einem Jahrzehnt intensiver Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten wurde die Natrium-Ionenbatterie (NIB) dann vergangenes Jahr in Großbritannien in einer ersten Ausführung auf den Markt gebracht. Dort hatte sie zunächst ein bescheidenes Wachstum zu verzeichnen. Nun kündigte der weltgrößte Batteriehersteller CATL vor wenigen Monaten überraschend an, sich des Themas anzunehmen und in die Massenproduktion der NIB einzusteigen. Eine Reihe weiterer Hersteller ist gerade dabei, diesem Beispiel zu folgen. Wie kommt das?

CATL hat sich mehrere Ziele gesetzt. Zunächst möchte man die Bleibatterie im Auto ersetzen. Das kann gehen, da die NIB sehr schnell be- und entladen werden können – wie man das ja beim Starten oder Aufladen im Pkw braucht. Außerdem soll der Preis deutlich niedriger werden als der einer LIB und wäre somit auch konkurrenzfähig zu dem der Bleibatterie. Weiter möchte man Zwei- und Dreiräder mit Natrium-Ionenbatterien ausstatten. Danach soll der nächste große Wurf erfolgen – Stationärspeicher. 

Die Vor- und Nachteile der Natrium-Ionenbatterie

Schauen wir auf die Vor- und Nachteile der Natrium-Ionenbatterie. Als klarer Nachteil ist zunächst die geringere Speicherkapazität der NIB zu nennen. Diese reicht derzeit noch nicht an die der Li-Eisenphosphatzellen heran, ihrem derzeit nachhaltigsten Pendant unter den verschiedenen Li-Ionenbatterietypen.

Dabei ist zu unterscheiden zwischen dem Energiegehalt pro Gewicht – und dem pro Volumen. Im ersten Fall liegt man mit 160 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) deutlich unter der Li-Eisenphosphatzelle, die bereits über 200 Wh/kg leistet. Besser sieht es bei dem für Fahrzeuganwendungen wichtigeren Wert aus, dem Energiegehalt pro Volumen. Hier liegt die NIB mit 300 Wh/Liter bereits in der Nähe der Li-Eisenphosphatzelle mit 350 Wh/Liter.

Allerdings behaupten die Entwickler, dass die NIB weniger Kühlung benötige, sodass man die Zellen im Batteriegehäuse enger packen könne und dieser Nachteil konstruktiv ausgeglichen werden könnte. In jedem Fall könnte sich das neue sogenannte „Cell-to-pack“ Design der modernen Autobatterien auch hier positiv auswirken, sodass auch mit einer NIB akzeptable Reichweiten möglich sein könnten. 

Aber nicht nur die Speicherkapazität, sondern auch die Lebensdauer muss weiter verbessert werden. Beides ist in Arbeit, und bis 2022 soll zumindest die Kapazität von Li-Eisenphosphatzellen in etwa erreicht werden. Was die Lebensdauer betrifft, so sinkt die Kapazität der NIB nach Herstellerangaben nach 1000 Be- und Entladezyklen auf 80 Prozent ab. Das wäre dann nach etwa 400.000 Kilometern im Fahrbetrieb. Weniger als die Li-Ionenbatterie, aber im Vergleich zum Verbrennungsmotor kein schlechter Wert.

Neben diesen Schwächen gibt es aber auch eine Reihe überzeugender Stärken der NIB. Gerade der Diskussion um die Verwendung kritischer Rohstoffe würde damit der Boden entzogen, denn die Speichermaterialien sind alle aus häufig vorkommenden und ungiftigen Elementen zusammengesetzt wie Eisen, Magnesium, Mangan und Kohlenstoff. Sogar Kupfer würde aus der Batterie verschwinden und durch das viel häufigere Aluminium ersetzt. Nickel und Kobalt würden ebenfalls nicht mehr gebraucht.

Interessanterweise ist auch die Schnelligkeit der Be- und Entladung des Natriumsystems sehr hoch, auch und gerade bei tiefen Temperaturen. Dies liegt daran, dass das Natriumion zwar größer, aber auch „weicher“ ist als das Lithium-Ion. So kann es schnell in die Wirtsstrukturen der Elektroden eingelagert werden. Außerdem ist die nutzbare Speicherkapazität bei Kälte besser als bei der LIB. Selbst bei Minustemperaturen um -20°C kann die Na-Ionenbatterie noch etwa 90 Prozent der Kapazität liefern. Darin ist sie selbst dem Verbrennungsmotor überlegen.

Preisverfall ermöglicht Großspeicher für Strom

Eines der auffälligsten Merkmale ist der zu erwartende dramatische Verfall im Preis. Voraussichtlich werden die Kosten der Batterie auf Grund der günstigeren Materialien deutlich unter denen einer Lithium-Ionenbatterie liegen. Man schätzt, dass der Preis der NIB nur noch etwa 40 Prozent der derzeitigen LIB betragen wird. Bewahrheitet sich diese Vorhersage, wird dies massive Auswirkungen auf den Batteriemarkt haben, denn dann können auch Anwendungen erschlossen werden, die man bisher aus Kostengründen eher gescheut hat. Dazu gehören beispielsweise Großbatterien für die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Quellen.

In der Summe haben wir es hier mit einer hoch spannenden und dynamischen Situation zu tun, in der eine neue Technologie in kurzer Zeit eine Reihe von Anwendungen besetzen könnte. Die Vorteile in Sachen Umweltfreundlichkeit, Schnelligkeit, Tieftemperatureigenschaften und insbesondere Preis können als Türöffner wirken. Gelingt dies und werden die derzeitigen Nachteile noch beseitigt, kann man sich freuen. Denn die Natrium-Ionenbatterie würde eine Möglichkeit bieten, auf einer nachhaltigen Materialbasis viele Speicheraufgaben zu bedienen – vom Automobil bis zum Windpark.