Alternativen zu Lithium-Akkus Das Rennen um die Batterie der Zukunft

Die Autoindustrie setzt bei der Elektromobilität heute voll auf Lithium-Ionen-Technik. Doch die hat gravierende Nachteile. Forscher haben Alternativen im Blick.
Gebrauchte Lithium-Batterie eines Autos: Forscher arbeiten an vielen weiteren Batteriekonzepten, die ohne Lithium oder andere problematische Rohstoffe auskommen - an Magnesium-Schwefel-, Aluminium-, Zink-Luft- oder Calcium-Batterien.

Gebrauchte Lithium-Batterie eines Autos: Forscher arbeiten an vielen weiteren Batteriekonzepten, die ohne Lithium oder andere problematische Rohstoffe auskommen - an Magnesium-Schwefel-, Aluminium-, Zink-Luft- oder Calcium-Batterien.

Foto: Wolfgang Rattay/ REUTERS

Batteriezellen sind eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Doch ausgerechnet hier ist die Exportnation Deutschland bislang von Importen abhängig: Denn produziert werden die Zellen vor allem in Asien.

Doch das ändert sich gerade rapide. So baut VW zusammen mit einem schwedischen Partner eine Fabrik in Salzgitter. Tesla zieht es vor die Tore Berlins, den chinesischen Hersteller CATL nach Thüringen. Und auch BASF, Varta sowie andere Autobauer stehen schon in den Startlöchern. Zudem entsteht in Münster unter Leitung der Fraunhofer-Gesellschaft eine Forschungsfabrik für Batteriezellen.

Sie alle setzen auf Lithium-Ionen-Zellen, wie sie schon seit vielen Jahren in Notebooks und Handys verwendet werden. Die Batterien können bezogen auf das Volumen und die Masse dreimal mehr Strom speichern als Bleiakkus.

Diese sogenannte Energiedichte ist besonders für die Elektromobilität eine wichtige Größe: Je kleiner und leichter die Batterien sind, desto mehr Reichweite können die Ingenieure einem Auto schenken.

Festkörperbatterien mit höherer Energiedichte

In den vergangenen Jahren haben Forscher große Fortschritte bei der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien erzielt. Doch das Potenzial ist weitgehend ausgeschöpft.

Deshalb suchen Wissenschaftler derzeit mit Hochdruck nach neuen Zellkonzepten, die die Lithium-Ionen-Technik eines Tages ablösen sollen. Heißester Kandidat: die Festkörperbatterie.

"Festkörperbatterien versprechen auf Ebene der Zellen eine fünfzig Prozent höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien", sagt Arndt Remhof vom Schweizer Forschungsinstitut Empa.

Möglich ist das unter anderem, weil Festkörperbatterien im Raum zwischen Plus- und Minuspol nicht wie Lithium-Ionen-Zellen eine Flüssigkeit, sondern einen dünnen, leichten Feststoff enthalten. Das spart Gewicht und Platz. Der Feststoff erlaubt es zudem, beim Minuspol auf das in Lithium-Ionen-Zellen übliche Graphit zu verzichten. So lässt sich mehr Energie speichern.

In den Roadmaps vieler Autohersteller spielen Festkörperbatterien eine wichtige Rolle, erklärt Batterieforscher Remhof. VW zum Beispiel will nach eigenen Angaben ab Mitte des nächsten Jahrzehnts in Salzgitter auch solche Akkus produzieren.

Nachfrage nach Lithium explodiert

Allerdings haben Festkörperbatterien einen großen Nachteil: Auch sie benötigen Lithium. Davon gibt es auf der Erde zwar grundsätzlich genug, mittelfristig könnte es trotzdem zu Engpässen kommen.

Denn der Bedarf wird explodieren - die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Zellen allein für die Elektromobilität steigt bis 2030 um den Faktor 20 bis 40, erwartet das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI. Fraglich, ob es der Industrie gelingt, die Kapazitäten für die Produktion von Lithium so schnell so massiv auszubauen.

Auf das Recycling ausgedienter Akkus zu setzen hilft da nicht weiter, meint Maximilian Fichtner, stellvertretender Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung. "Batterien sind mittlerweile so langlebig, dass sie sich zum Beispiel als Solarstromspeicher weiterverwenden lassen, wenn die Autos verschrottet werden", sagt Fichtner.

Deshalb werden vor 2040 voraussichtlich nur moderate Mengen zum Recycling zur Verfügung stehen, so der Wissenschaftler.

Natrium statt Lithium

Fichtner leitet eine Arbeitsgruppe mehrerer deutscher Forschungsinstitute, die sich der Entwicklung lithiumfreier Batteriezellen widmet. Am weitesten fortgeschritten ist die Natrium-Ionen-Technologie. "Natrium findet man in Kochsalz, in Meersalz, einfach überall. Das ist ein absolut unproblematisches und dazu noch sehr günstiges Batteriematerial", sagt Fichtner. Bereits in ein, zwei Jahren werden die ersten Natrium-Ionen-Batterien auf dem Markt sein, erwartet er.

Allerdings können es die Natrium-Ionen-Batterien bei der Energiedichte längst noch nicht mit Lithium-Zellen aufnehmen. Für Elektroautos eignen sie sich daher auf absehbare Zeit nicht.

Für stationäre Speicher – etwa für Solaranlagen oder Großspeicher, mit dem Netzbetreiber Stromangebot und -nachfrage ins Gleichgewicht bringen – dagegen schon. Denn hier spielen Gewicht und Größe kaum eine Rolle.

Das entspannt die Rohstoff-Situation: "Je mehr lithiumfreie Batterien für solche Aufgaben eingesetzt werden, desto mehr Lithium steht für die Elektromobilität zur Verfügung", erklärt Fichtner.

Offene Fragen bei Lebensdauer und Wirkungsgrad

Darüber hinaus arbeiten die Forscher an vielen weiteren Batteriekonzepten, die ohne Lithium oder andere problematische Rohstoffe auskommen – an Magnesium-Schwefel-, Aluminium-, Zink-Luft- oder Calcium-Batterien zum Beispiel.

Ihnen ist gemein, dass es noch längere Zeit dauern wird, bis die ersten Produkte praxisreif sein werden. Die Lebensdauer ist oftmals noch ein ungelöstes Problem. Ebenso der Wirkungsgrad: Bei einigen dieser Technologien muss deutlich mehr Strom eingespeichert werden als später wieder herausgeholt werden kann.

Eines ist jedoch sicher: Die heutige Dominanz der Lithium-Ionen-Batterien wird nicht von Dauer sein. "Anders als beim Verbrennungsmotor – wo vom Rasenmäher bis zum Öltanker im Prinzip die gleiche Technologie eingesetzt wird – werden wir bei den Batterien eine Vielzahl verschiedener Konzepte sehen", sagt Empa-Forscher Remhof. "In Anbetracht der vielfältigen Anwendungen hat die ganze Palette ihre Berechtigung, vom alten Bleiakku bis zu neuartigen Post-Lithium-Technologien."

Anmerkung der Redaktion: In einer früheren Version hieß es, in Münster entstehe unter Leitung des Fraunhofer-Instituts eine Batterieforschungsfabrik. Tatsächlich handelt es sich jedoch um den Dachverband, die Fraunhofer-Gesellschaft. Wir haben die Passage korrigiert.