Ersatz von Lithium-Ionen-Batterien, neue Batterietypen, es gibt viele verschiedene Optionen.

Ausgangslage

Lithium-Ionen-Batterien.

Während Smartphones, Smart Homes und sogar intelligente Wearables immer fortschrittlicher werden, sind sie immer noch durch den Stromverbrauch begrenzt. Die Batterie hat sich seit Jahrzehnten nicht weiterentwickelt. Große Technologie- und Automobilunternehmen sind sich der Grenzen von Lithium-Ionen-Batterien durchaus bewusst. Während Chips und Betriebssysteme immer effizienter werden, um Strom zu sparen, können wir ein Smartphone immer noch nur ein oder zwei Tage lang nutzen, bevor wir es aufladen müssen. Auch wenn es noch eine Weile dauern wird, bis unsere Handys eine Woche durchhalten, schreitet die Entwicklung gut voran.

Viele Batterien bestehen aus Seltenerdmetallen wie Lithium, Graphit und Kobalt. Um Klimaneutralität zu erreichen, wird die EU bis 2030 achtzehn Mal mehr Lithium benötigen als sie derzeit verbraucht, und bis 2050 sogar fast 60 Mal mehr. Die weltweite Lithiumminenproduktion hat sich zwischen 2010 und 2021 fast vervierfacht. Die Gewinnung von Lithium kann zu Wasserknappheit, zur Beeinträchtigung der Ökosysteme und zur Verschlechterung der Bodenqualität führen. Bei der Gewinnung des Metalls mit Hilfe von Verdunstungsteichen werden beispielsweise etwa 2,2 Millionen Liter für die Produktion einer Tonne benötigt.

Lithium-Ionen-Batterien sind heute nahezu Standard, nicht nur in Elektrofahrzeugen. Die leichten und leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien werden in Laptops, Telefonen, Motorrollern, elektrischen Zahnbürsten und anderer Unterhaltungselektronik eingesetzt. Lithium-Ionen-Batterien haben eine grosse Entwicklung hinter sich: Heute hat der Lucid Air Performance zum Beispiel eine offizielle EPA-Reichweite von bis zu 520 Meilen (836 km). Eine außergewöhnliche Leistung, die zeigt, welche großen Fortschritte die Batterietechnologie in 12 Jahren gemacht hat. Da immer mehr Menschen auf Elektrofahrzeuge umsteigen, um die Treibhausgasemissionen zu verringern, bewerten Umweltschützer die Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Der Herstellungsprozess herkömmlicher Batterien verursacht ebenfalls Umweltbelastungen.

Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien dürfte künftig noch weiter steigen, wenn Elektrofahrzeuge zum Allgemeingut werden. Sie sind deshalb aktuell noch Marktführer. Doch das wird sich vielleicht bald ändern. Viele verschiedene Ersatzbatterien sind am Start, um Lithium-Ionen-Batterien abzulösen. Vielleicht fahren Elektroautos schon bald mit Sand, Meerwasser oder einfach mit WLAN-Strahlung.

Die verwendeten Materialien bei Lithium-Ionen-Batterien variieren, so dass es verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Batterien gibt, insbesondere LFP (Lithium-Phosphat), NMC (Lithium, Mangan und Kobalt) und NCA (Nickel, Kobalt und Aluminium). Lithium-Ionen-Batterien haben eine längere Lebensdauer als andere Batterietypen, und bis zu 95 % der Materialien können recycelt werden. Diese anderen Batterietypen haben jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile:

Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH).

Sie sind die wichtigste Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Sie werden im Allgemeinen in Hybrid-Elektroautos verwendet. Sie sind billiger und kälteresistenter als Lithium-Ionen-Batterien, haben aber eine um etwa 40 % geringere Energiekapazität. 

Bleibatterien.

12-V-Bleibatterien sind ein wichtiger Bestandteil von Elektrofahrzeugen, dienen aber lediglich als Hilfsstromquelle, hauptsächlich für sicherheitsrelevante Funktionen. Sie haben eine geringe Kältebeständigkeit und eine kurze Lebensdauer. 

Superkondensatoren.

Superkondensatoren, die zur Energiespeicherung verwendet werden, können Energie recht schnell laden und entladen und die Speicherkapazität von EV-Batterien erhöhen. Aufgrund ihrer geringeren Energiedichte können sie jedoch nicht als alleinige Energiequelle für Elektrofahrzeuge verwendet werden.

Nachteile Lithium-Ionen-Batterien

Material und Preis geben Anlass zur Sorge.

Wie das Beispiel des Lucid Air Performance von Lucid Motors zeigt, haben seine Batterien mit Lithium-Ionen-Technologie einen horrenden Preis - zwischen 78.000 und 179.000 Schweizer Franken. Viele der verschiedenen Mineralien, die zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, sind knapp und daher teuer. Dies gilt vor allem für Lithium, das am häufigsten für Lithium-Ionen-Batterien verwendete Material. Aber nicht nur der Preis gibt Anlass zur Sorge. Der Abbau der Mineralien führt oft zur Zerstörung der Umwelt und beruht manchmal auf fragwürdigen Arbeitspraktiken (einschließlich Kinder- und Sklavenarbeit). Letzteres gilt insbesondere für Kobalt.

Giftstoffe.

Lithium-Ionen-Batterien verursachen verschiedene Formen der Umweltverschmutzung. Die Auswirkungen der Umweltverschmutzung beginnen bereits in der Phase des Lithiumabbaus. Wenn Bergbauunternehmen Minen eröffnen, setzen sie Giftstoffe in die Umwelt frei. Eine Lithium-Ionen-Mine am Liqi-Fluss setzte Schadstoffe ins Wasser frei. Umweltschützer stellten fest, dass tote Fische an die Oberfläche des Flusses stiegen. Einheimische sahen auch tote Yaks und Rinder den Fluss hinuntertreiben. Eine weitere nachteilige Auswirkung des Lithiumabbaus ist die Bodenerosion. Lithium wird aus einer mineralhaltigen Sole gewonnen, die Fachleute aus dem Erdinneren abbauen. Je mehr Wasser an die Oberfläche gelangt, desto trockener wird der örtliche Boden durch die Wasserverdrängung. Die Bodenerosion führt zur Verarmung an Nährstoffen und zum Verlust von Mutterboden. Eine weitere nachteilige ökologische Auswirkung herkömmlicher Batterien entsteht auf den Mülldeponien. Privatpersonen können ihre Altbatterien nicht über das Einwegsystem der blauen Tonne recyceln. Die zusätzlichen Schritte des Transports von Lithium-Ionen-Batterien zu einer Aufbereitungsanlage führen zur Entsorgung auf einer Deponie. Die Stromquellen können Brände und andere nachteilige Auswirkungen in Abfallzentren verursachen.

Hinzu kommen nebst den schwindenden Reserven bestimmter Batteriemineralien auch die Tatsache, dass die Lithium-Ionen-Batterietechnologie ein kleines, aber hartnäckiges und bisher ungelöstes Risiko birgt, nämlich Feuer zu fangen.

Chinas Vorherrschaft.

Nicht zuletzt unterliegt die halbe Welt Chinas strategischem Würgegriff auf dem Markt für Elektroautobatterien. Verschiedene chinesische Unternehmen hatten 2020 einen Marktanteil von 85 % bei Kobalt. Da der Markt für Elektrofahrzeuge schubweise wächst, werden diese Probleme in einem Maße verschärft, dass die Batterieprobleme den Fortschritt der Elektrifizierung selbst zum Entgleisen zu bringen drohen. Dies zwingt die Automobilindustrie dazu, sich nach Optionen umzusehen.

Optionen und Alternativen

Es gibt aktuell vielversprechende Optionen für den Ersatz von Lithium-Ionen-Batterien.

Festkörperbatterien.

Durch die Verwendung eines festen statt eines flüssigen Elektrolyten bieten Festkörperbatterien eine höhere Energiedichte bei geringerem Platzbedarf. Dadurch erhöht sich die Reichweite, die Ladezeit verkürzt sich (leicht), das Gewicht des Fahrzeugs sinkt und der Laderaum wird größer. Außerdem sind Festkörperbatterien feuerbeständiger und haben einen längeren Lebenszyklus. Eine Harvard-Studie aus dem Jahr 2021 besagt, dass Lithium-Metall-SSBs mindestens 10.000 Mal wieder aufgeladen werden können. 

Lithium-Schwefel-Batterien.

Eine der ersten Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien. Sie verwenden weniger schädliche Materialien, sind billiger, feuerfester und bieten eine bis zu dreimal höhere Energiedichte. Sie haben jedoch ein großes Problem: der sehr kurze Lebenszyklus von nur 1.000 Aufladungen.

Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LiFePO4).

Ein Ersatz für Blei-Säure-Batterien, der viele Vorteile bietet: eine Lebensdauer von etwa 5.000 Aufladungen, eine viermal höhere Energiedichte und Ungiftigkeit (kein Kobalt!). LiFePO4-Batterien sind etwa 50 % leichter als andere Lithium-Batterien, sehr temperaturbeständig und fast 78 % der Materialien können recycelt werden.

Natrium-Ionen-Batterien (Na-Ionen).

Die Verknappung von Lithium veranlasst viele Batteriehersteller, das Hauptmaterial durch Natrium zu ersetzen, da dieses Material tausendmal häufiger vorkommt. Wenn die Lithiumpreise weiter steigen, werden viele Hersteller auf Na-Ionen-Batterien umsteigen.

Zink-Luft-Batterien.

Zink-Luft-Batterien sind kleiner und leichter als Lithium-Ionen-Batterien, und einige Experten gehen davon aus, dass sie bis zu 500 % mehr Leistung bei weniger als der Hälfte der Kosten bieten werden. Doch heute ist die Wiederaufladbarkeit der Batterie das verbleibende große Hindernis für einen Markteinstieg.

Strukturelle Komponentenbatterien.

Diese neuen Batterien enthalten Kohlenstofffasern, die als Elektrode, Leiter und Trägermaterial dienen. Die Batterie hat im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien nur eine Kapazität von etwa 20 %. Forscher sind davon überzeugt, dass sie ideal ist, da das Gewicht von Elektrofahrzeugen immer weiter sinkt. 

Ultra-schnelle Kohlenstoffbatterie.

Diese Batterie mit ultraschneller Kohleelektrodenkonstruktion hat das Potenzial, die Energie der Batterie um das Zehnfache und die Lebensdauer um das Fünffache zu erhöhen. Ob diese Innovation die Mobilität der Zukunft revolutionieren wird, wird sich erst ab etwa 2023 zeigen, wenn sie in Produktion geht. 

Kobaltfreie Batterie.

Die Zellen dieser Batterie bestehen aus 75 % Nickel und 25 % Mangan. Es wird noch intensiv geforscht, um diese Technologie billiger und nachhaltiger zu machen.

Silizium-Anodenbatterie.

Entwicklung von Salz- oder Meerwasser-batterien

Sicher und umweltfreundlicher.

Natrium-Ionen-Batterien gewinnen an Aufmerksamkeit, da technologische Fortschritte darauf hindeuten, dass sie im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien in einem breiteren Spektrum von Anwendungen eine ähnliche Leistung erbringen könnten, und zwar ohne die Probleme in der Lieferkette. Natrium-Ionen-Batterien sind auch sicherer, da sie nicht entflammbar sind und weniger empfindlich auf Temperaturschwankungen reagieren als Lithium-Ionen-Batterien.

Drei Maschinenbaustudentinnen entwickelten einen Prototyp für eine Meerwasserbatterie, die mit Natrium arbeitet, einem Metall, das aus den Natriumchloridmolekülen des Meeres gewonnen werden kann. Das Natrium würde in diesen Batterien das Lithium ersetzen.

Die Meerwasserbatterie speichert die Energie mithilfe der chemischen Bindungen im Natrium. Während des Ladevorgangs werden Natriumionen aus dem Meerwasser extrahiert und als Festkörperelektrolyt durch die Anode transportiert. Die Ionen werden dann zu Natriummetall reduziert. Bei der Entladung wird das Natriummetall oxidiert und dann zur Kathode zurücktransportiert. Durch diese Bewegung der Elektronen wird ein Strom erzeugt, der Geräte mit Energie versorgen kann. Ein Prototyp der Batterie soll zum Aufladen eines Telefons verwenden werden.

Geringe Energiedichte von Natrium-Ionen-Batterien.

Der größte Nachteil ist, dass Natrium-Ionen-Batterien eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien haben. Das bedeutet, dass ein Elektrofahrzeug mit einer Natriumbatterie, die genauso groß ist wie eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie, mit einer einzigen Ladung nicht so weit fahren kann. Erschwerend kommt hinzu, dass Natrium-Ionen-Batterien schneller kaputt gehen, wenn mehr Spannung auf gleichem Raum untergebracht wird.

Erneuerbare Energien und Natrium-Ionen-Batterien.

Die Meerwasserbatterie hat aber auch Vorteile, angefangen bei der Tatsache, dass sie keine giftigen Metalle enthält. Die Batterie könnte mit Offshore-Windturbinen und Sonnenkollektoren gekoppelt werden. Die Batterie sollte auch im Laufe der Zeit sehr effizient sein, da sie ständig Natrium aus dem Meer beziehen würde. Lithiumbatterien werden normalerweise nicht durch frisches Lithium ersetzt, was zu einer sogenannten Elektrodenkorrosion führt. Nehmen wir an, Sie kaufen heute einen Laptop, der eine Batterie-Betriebsdauer von sieben Stunden hat. In ein paar Jahren werden Sie vielleicht feststellen, dass er nur noch drei Stunden durchhält. Das liegt daran, dass die lithiumspeichernde Elektrode bei der Benutzung korrodiert.

Natrium ist in größeren Mengen vorhanden als die in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Metalle, wodurch es kostengünstiger und umweltfreundlicher zu beschaffen ist. Die Konzentration von Natrium in der Erdkruste ist etwa 500 Mal höher als die von Lithium, und es kann auch aus Meerwasser gewonnen werden.

Herausforderungen gibt es schon noch. Denn diese Art von Batterie muss absolut wasserdicht sein. Das Element Natrium ist mit Wasser sehr reaktiv. Wenn man Natrium in den Ozean werfen würde, gäbe es eine kleine Explosion. Dennoch: Batterien auf Natriumbasis könnten die Lithium-Krise lösen. Diese Batterien könnten zu einer brauchbaren, billigeren Alternative werden - aber das wird noch einige Jahre dauern.

Der Elektrolyt ist jener Teil einer Batterie zwischen der negativen Anodenseite und der positiven Kathodenseite, der es den Ionen ermöglicht, beim Laden und Entladen der Zelle Energie hin und her zu transportieren. Wenn eine Batterie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht, verlangsamen sich die elektrochemischen Reaktionen, die den Ionenfluss aufrechterhalten, so dass die Batterie nicht mehr aufgeladen werden kann. Dieser Prozess läuft bei den derzeitigen Natrium-Ionen-Batterien viel schneller ab als bei Lithium-Ionen-Batterien. Wenn man bei Natriumbatterien die Spannung erhöht, ist der Elektrolyt viel weniger stabil. Es müssen Elektrolyten entwickelt werde, die auch bei höheren Spannungen sehr stabil sind. Deshalb arbeiten Forscher daran, die Lebensdauer von Natrium-Ionen-Batterien zu verlängern und die Energiedichte zu verbessern, um eine Leistung zu erreichen, die eher mit den heutigen Lithium-Ionen-Zellen vergleichbar ist. Eine im Juni veröffentlichte Forschungsarbeit brachte dieses Ziel einen Schritt näher an die Realität. Die Forscher entwickelten eine Natrium-Ionen-Batterie mit einer Kombination von Materialien, welche die Lebensdauer im Vergleich zu früheren Versionen erhöht. Der Fokus der Forschung liegt auf der Verbesserung der Anode und der Kathode. Es sollen Materialien gefunden werden, welche die Anode verbessern und das Kobalt in der Kathode eliminieren könnten. Die Forscher werden weiterhin an der Verbesserung der Energiedichte und Stabilität von Natrium-Ionen-Batterien arbeiten. Wenn die Natriumbatterietechnologie vollständig entwickelt ist, sollte sie nach Ansicht einiger Experten in der Lage sein, leichte Elektrofahrzeuge zusammen mit Energiespeichersystemen zu betreiben.

Sicherheit von Meerwasser- oder Salzwasserbatterien.

Forscher haben kürzlich die Meerwasser- oder Salzwasserbatterie-Technologie weiterentwickelt, indem sie Zink-Mangan-Nanolegierungen als Anode verwendeten, um internes Wachstum zu verhindern. Das Material erzeugt eine interne Metallstruktur, die Elektronen produziert. Diese wandern zur Kathode in der Batterie und erzeugen einen Gleichstrom. Meerwasser- und Salzwasserbatterien enthalten konzentrierte Salz- oder Salzwasserlösungen, um Elektrizität für eine spätere Verwendung zu speichern. Das Salzwasser enthält Natriumionen (ein üblicher Bestandteil von normalem Kochsalz), die den Strom transportieren und speichern.

Das Beste an Meerwasser- und Salzwasserbatterien ist ihre Sicherheit. Sie sind nicht anfällig für Brandunfälle wie andere Batterien. Salzwasserbatterien enthalten keine Giftstoffe oder Schwermetalle, was ihre Wiederverwertbarkeit erhöht. Sie enthalten überhaupt keine schädlichen Stoffe. Das bedeutet, dass Meerwasser- und Salzwasserbatterien für die Natur, den Menschen und die übrige Flora und Fauna sicher sind. Meerwasser- und Salzwasserbatterien sind extrem haltbar und langlebig. Eine normale Meerwasser- und Salzwasserbatterie hält fast 5000 Zyklen lang. Aber Sie können sie problemlos über diesen Zyklus hinaus verwenden. Das bedeutet, dass Sie die Batterien nicht oft austauschen müssen. Meerwasser- und Salzwasserbatterien sind recycelbar und wiederverwendbar. Das Recyclingverfahren für eine Meerwasser- und Salzwasserbatterie ist einfach. Teile und Komponenten der Batterien können durch Recycling immer wieder für die Herstellung neuer Batterien verwendet werden. Einer der Hauptvorteile von Meerwasser- und Salzwasserbatterien ist ihre Wartungsfreiheit. Bei diesen Batterien kann der gespeicherte Strom vollständig entladen werden, ohne die Batterie zu erschöpfen oder zu beschädigen. Dies führt nicht dazu, dass die Batterie ihren Lebenszyklus oder ihre Leistungsfähigkeit verliert. Außerdem kann eine einzige Ladung die Batterie wochenlang mit Strom versorgen. Meerwasser- und Salzwasserbatterien enthalten nur eine konzentrierte Natriumsalzlösung. Daher ist sie völlig sicher für die Umwelt. Darüber hinaus verursacht sie keine Schäden an Lebewesen und ist umweltfreundlich.

Recycling von Meerwasser- und Salzwasserbatterien.

Die Einfachheit des Recyclings kann dazu führen, dass mehr Fachleute der Abfallwirtschaft Anlagen zur Verarbeitung von Batterien eröffnen. Der Fortschritt verbessert auch die Nachhaltigkeit der Recyclingpraktiken, da die toxische Verschmutzung minimiert wird. Außerdem können die Menschen Salzwasserbatterien länger nutzen als die Lithium-Ionen-Versionen. Durch die Verlängerung des Lebenszyklus von Batterien wird der Abfall im Laufe der Zeit verringert. Durch die Verlängerung ihrer Lebensdauer können die Verbraucher auch Geld sparen.

Nachteile von Meerwasser- oder Salzwasserbatterien.

Meerwasser- und Salzwasserbatterien bringen auch einige Probleme und Nachteile mit sich. Die C-Rate einer Batterie ist die Stromstärke oder Kapazität, mit der die Batterie später geladen und entladen wird. Je höher die C-Rate, desto besser ist die elektronische Reserve einer Batterie. Doch leider können die Salzwasser-Batterien in dieser Hinsicht nicht punkten. Sie verfügen nur über eine C-Rate von 0,5, was sehr niedrig ist. Mit einer einzigen Ladung können nur 50 % ihrer elektrischen Reserve entladen werden. Meerwasser- und Salzwasserbatterien reichen nicht aus, um eine große Menge an Strom für eine kürzere Zeitspanne zu liefern. Aufgrund ihrer niedrigen C-Rate können Meerwasser- und Salzwasserbatterien nur eine begrenzte Menge an Energie speichern. Vergleicht man eine Meerwasser- und Salzwasserbatterie mit einer Lithium-Ionen-Batterie gleicher Größe, so speichert die Meerwasser- und Salzwasserbatterie weniger Strom. Die geringere Energiedichte erfordert oft größere Batterien. Zudem sind Meerwasser- und Salzwasserbatterien recht teuer, weil die Herstellung dieser Batterien sehr kostenintensiv ist.

Materialien.

Meerwasser- und Salzwasserbatterien werden in rechteckigen Schachteln angeboten. Die äußere Hülle besteht aus ungiftigem und umweltfreundlichem Material, das die konzentrierte Salzlösung lange Zeit aufnehmen kann. Die äußere Hülle ist aus ungiftigem Kunststoff gefertigt. Die Batteriezelle ist aus rostfreiem Stahl gefertigt. Sie dient als Stromsammler und hält die Salzwasserlösung. Die Kathode besteht aus Manganoxid, die Anode aus Kohlenstoff-Titanphosphat. Sie enthält außerdem ein Trennvlies oder einen Kunststoffteiler, der die Elektrolyte voneinander trennt.

Lademechanismus.

Eine Meerwasser- und Salzwasserbatterie hat einen recht einfachen Lademechanismus. Wenn sie an die Stromanschlüsse (Anode und Kathode) angeschlossen wird, löst die elektrische Energie die Elektrolyse der konzentrierten Salzwasserlösung aus, wodurch eine große Menge an Natriumionen entsteht. Die Natriumionen wandern von der Kathode zur Anode und speichern während dieser Reise den Strom in der Anode. Der Entlademechanismus beginnt, wenn Sie die Batterie mit einem elektronischen Gerät verbinden. Die Natriumionen beginnen, sich zur Kathode zu bewegen, und während dieses Prozesses fließt die elektrische Energie durch die Batterie und versorgt das Gerät mit Strom.

Welche Systeme unterstützen die Meerwasser- oder Salzwasserbatterie?

Die Wirtschaft kann die nachhaltige Energiequelle leicht übernehmen, da sie die meisten Systeme unterstützt. Umweltingenieure in England und China verwenden Salzwasserbatterien für den Antrieb von Elektrofahrzeugen. Andere Entwickler nutzen die technologischen Fortschritte, um ein Elektrofahrzeug zu entwickeln, das nicht auf eine Steckdose angewiesen ist. Ein Gerät verwendet zwei große Tanks mit Salzwasserflüssigkeit, um elektrische Zellen zu betreiben. Das Fahrzeug kann nach dem Auffüllen der Tanks etwa 370 Meilen weit fahren.

Auch Smartphones können mit Salzwasserbatterien betrieben werden, um die Wiederverwertbarkeit von elektronischen Geräten zu erhöhen. In dem Maße, in dem Ingenieure die Technologie zur Unterstützung der Handyproduktion einsetzen, kann sie den Elektroschrott verringern. Viele Betriebe verschiffen ihre Altgeräte nach Übersee, wo die Regierung die Recyclingpraktiken nicht regelt. Einige Verarbeiter schmelzen Geräte ein, um wertvolle Metalle zu gewinnen. Wenn Elektronikgeräte Hitze ausgesetzt werden, gelangen Schadstoffe in die Umwelt. Viele Geräte enthalten Blei und Quecksilber, die in den Boden und das Grundwasser gelangen.

Die toxische Verschmutzung kann auch die örtliche Wasserversorgung verseuchen. Wenn Menschen das Wasser zu sich nehmen, kann es zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen kommen. Nach der Bewertung der Vorteile von Salzwasserbatterien stellt sich die Frage: "Warum nutzt die Wirtschaft diese Technologie nicht?" Salzwasserbatterien stecken noch in den Kinderschuhen und ihre Zukunft auf dem Markt ist ungewiss. Forscher sagen eine Lithiumknappheit voraus, da die Elektrofahrzeugindustrie expandiert. Einzelpersonen können einen Boom bei der Produktion und Verwendung von Salzwasserbatterien erwarten, da unser Zugang zu Lithium abnimmt.

Qualität, Performance und Leistung von Salz- und Meerwasserbatterien.

Anwendungen für Natrium-Ionen-Batterien

Wachsende Anwendungen für Natrium-Ionen-Batterien in verschiedenen Branchen.

Die zunehmende Konzentration auf kosteneffiziente fortschrittliche Speichertechnologien fördert den Einsatz von Natrium-Ionen-Batterien in verschiedenen Sektoren. Das Anwendungssegment umfasst die Bereiche Transport, Unterhaltungselektronik, stationäre Großspeicherung von Energie und Industrie.

1. Verkehrswesen.

In Elektrofahrzeugen beginnen Natrium-Ionen-Batterien, Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien zu ersetzen. Derzeit werden diese Batterien vor allem in preiswerten Elektrofahrzeugen wie Langsamfahrern, E-Scootern, E-Rikschas und E-Bikes eingesetzt, die bei vergleichbarem Preis eine erheblich größere Reichweite und Ladekapazität bieten. Hersteller und Verbraucher von Elektrofahrzeugen profitieren von der Nachhaltigkeit, der Erschwinglichkeit und der erhöhten Sicherheit der Natrium-Ionen-Batterien. Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert, dass die Nachfrage nach Lithium zwischen 2020 und 2040 um das 43-fache steigen wird, was zu einem Anstieg des Lithiumpreises führen wird. Obwohl Salz im Überfluss vorhanden ist, wird sein Preis in absehbarer Zeit wahrscheinlich nicht wesentlich steigen.

Aus diesem Grund prüfen mehrere Batteriehersteller die Verwendung von Natrium-Ionen-Batterien anstelle der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien in künftigen Elektrofahrzeugen. So kündigte CATL im Juli 2021 an, dass Natrium-Ionen-Batterien in Batteriepaketen für Elektrofahrzeuge neben Lithiumzellen eingesetzt werden sollen. Im Juni 2018 wurde außerdem von HiNa Battery Technology Co. Ltd, dem Institute of Physics (IOP) und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) ein auf Natrium-Ionen-Batterien basierendes Niedriggeschwindigkeitsfahrzeug entwickelt.

2. Unterhaltungselektronik.

Eine der größten und am schnellsten wachsenden Industrien der Welt ist die Elektronikbranche. Die Elektronikindustrie ist aufgrund der sich ändernden Lebensgewohnheiten, insbesondere in den Entwicklungsländern, exponentiell gewachsen. Diese Industrie umfasst Laptops, Mobiltelefone und andere digitale Geräte, für die Lithium-Ionen-Batterien traditionell eine wichtige Komponente sind. Diese Anwendungen benötigen eine Kapazität von 200-300 Milliamperestunden (mAh g1), eine zyklische Lebensdauer von mindestens 200 Zyklen und eine Kapazitätserhaltung von mindestens 80 %. Es wird erwartet, dass Natrium-Ionen-Batterien in naher Zukunft ein ernsthafter Konkurrent für Lithium-Ionen-Batterien sein werden, da die Forschung weiter voranschreitet und Durchbrüche bei den Elektroden-/Elektrolytmaterialien erwartet werden.

In den letzten zehn Jahren hat die Forschung an Materialien für Natrium-Ionen-Batterien enorm zugenommen. Um die Grundlagen der vielfältigen physiochemischen/elektrochemischen Phänomene innerhalb des Batteriesystems zu verstehen und zu verbessern, wurden die meisten Forschungsarbeiten zu Li-Ionen-basierten Systemen erfolgreich auf Natrium-Ionen-Batterien angewandt. Es wird erwartet, dass sich der Markt für Energiespeicher und -batterien aufgrund der Expansion des E-Commerce-Sektors weiterentwickeln wird, und Natrium-Ionen-Batterien werden voraussichtlich eine attraktive Option für die Notstromversorgung darstellen.

Natrium-Ionen-Batterien sind eine wirksame Methode zur Energiespeicherung, da Natrium-Ionen äußerst aktive und zuverlässige Ladungsträger sind. Die Verwendung von Natrium-Ionen-Batterien in Verbrauchergeräten wird durch Eigenschaften wie Reversibilität, verbesserte elektrochemische Fähigkeiten, schnelle Reaktionszeiten und andere begünstigt.

3. Stationäre Energiespeicherung in großem Maßstab.

Aufgrund der raschen Entwicklung erneuerbarer Energiequellen wie Solar- und Windenergie steigt derzeit die Nachfrage nach kostengünstigen, effektiven und sicheren Energiespeichersystemen in großem Maßstab. Lithium ist im Vergleich zu anderen Alternativen für groß angelegte Aktivitäten wie die Energiespeicherung für das Stromnetz sehr teuer. Aus diesem Grund werden Natrium-Ionen-Batterien für umfangreiche stationäre Energiespeicheranwendungen immer häufiger eingesetzt. 

4. Industrie.

Die Industrie konzentriert sich auf die Auswahl einer geeigneten Batterie mit verbesserter Funktionalität, da industrielle Anwendungen spezielle Leistungsanforderungen haben. Langlebigkeit und Zuverlässigkeit haben in der Industrie Vorrang, auch wenn Konsumgüter eine hohe Energiedichte benötigen, um ein dünnes und ansprechendes Design zu erreichen. Da Natrium-Ionen-Batterien billiger sind und eine längere Lebensdauer haben als andere Batterien, steigt die Nachfrage nach ihnen in industriellen Anwendungen. Zu den Anwendungen für Natrium-Ionen-Batterien in der Industrie gehören Asset-Tracking-Systeme, Sicherheits-/Alarmsysteme, Telekommunikation und unterbrechungsfreie Stromversorgungen.

Der Markt für wiederaufladbare Batterien wird derzeit von Innovationen bestimmt. Die Technologie für Batterien ist nicht mehr nur auf Lithium-Ionen-Batterien beschränkt. Aufgrund der hohen Kosten und der drohenden Verknappung von Lithium haben Branchenspezialisten begonnen, SIBs zu entwickeln. Darüber hinaus wird die Entwicklung hin zur Kohlenstoffneutralität durch den zunehmenden Einsatz innovativer Batterietechnologien unterstützt. Mit größeren Ausgaben und gezielten F&E-Anstrengungen, um den Übergang von der Produktion im Pilotmaßstab zur vollständigen Kommerzialisierung zu erleichtern, wird erwartet, dass der Natrium-Ionen-Batteriemarkt in den nächsten Jahren schnell expandieren wird. 

Wie kann man Salzwasserbatterien erwerben?

Derzeit gibt es nur ein Unternehmen, das diese Batterien herstellt. Vor kurzem hat es die Produktion wegen nichttechnischer Probleme eingestellt, was den Zugang zu dieser Technologie erschwert. Die Beschaffung von Salzwasserbatterien ist zwar nach wie vor schwierig, aber Energieexperten gehen davon aus, dass sie in den kommenden Jahren einfacher werden wird.

Themen der Forschung

Papierbatterie.

Eine neue Einwegbatterie aus Papier und anderen nachhaltigen Materialien soll entwickelt werden. Die Papierbatterie wird mit ein paar Tropfen Wasser aktiviert. Forscher des Cellulose & Wood Materials Laboratory der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) arbeiten daran, dieses Problem zu lösen. In ihrem neuen Artikel in Scientific Reports beschreiben sie eine wasseraktivierte Papierbatterie, die aus umweltfreundlichen Materialien entwickelt wurde und eine nachhaltige Alternative zu den schädlicheren Batterien darstellen könnte, die in Geräten mit geringem Stromverbrauch verwendet werden.

Die Papierbatterie hat dieselben Hauptbestandteile wie herkömmliche Batterien, ist aber anders verpackt. Wie eine typische chemische Batterie hat sie eine positiv geladene Seite, die Kathode, eine negativ geladene Seite, die Anode, und ein leitfähiges Material, das Elektrolyt, zwischen den beiden. Die Komponenten einer herkömmlichen Batterie sind in Kunststoff und Metall eingeschlossen. Bei der neuen Papierbatterie sind Anode und Kathode mit Tinte auf die Vorder- und Rückseite eines Stücks Papier gedruckt. Dieses Papier ist mit Salz durchtränkt, das sich auflöst, wenn das Papier mit Wasser angefeuchtet wird. Die entstehende Salzwasserlösung dient als Elektrolyt. Nachhaltige Materialien waren eine Voraussetzung für die Forscher, die nur ungiftige und reichlich vorhandene Inhaltsstoffe für ihr Gerät in Betracht zogen. Die Forscher waren ziemlich zuversichtlich, dass sie etwas entwickeln, das am Ende funktionieren würde. Aber die Entwicklung dieser Materialien und Tintensysteme war alles andere als trivial. Nachdem die Forscher Hunderte von Formulierungen für die Batteriekomponenten ausprobiert hatten, entschieden sie sich für eine Graphittinte für die Kathode, eine Zinktinte für die Anode und salzdurchsetztes Papier für den Elektrolyten.

Wenn das Papier getrocknet ist, ist die Batterie haltbar. Gibt man jedoch nur ein paar Tropfen Wasser hinzu, löst sich das eingearbeitete Salz auf und die Elektronen können fließen. Sobald das Papier befeuchtet ist, wird die Batterie innerhalb von 20 Sekunden aktiviert. Wenn die Batterie zu diesem Zeitpunkt nicht an ein elektronisches Gerät angeschlossen ist, hat sie eine konstante Spannung von 1,2 Volt. (Zum Vergleich: AA-Batterien haben eine Spannung von etwa 1,5 Volt.) Die Betriebsleistung der neuen Batterie nimmt ab, wenn das Papier trocknet. Als die Wissenschaftler das Papier während der Tests erneut befeuchteten, funktionierte die Batterie wieder und hielt eine Stunde lang, bevor sie wieder auszutrocknen begann.

Obwohl die Forscher gezeigt haben, dass ihre Batterie einen Wecker mit Strom versorgen kann, ist es unwahrscheinlich, dass Einwegbatterien aus Papier die herkömmlichen AA-Batterien in den Regalen ersetzen werden. Stattdessen stellen sich die Forscher eine Zukunft vor, in der diese Batterien in Diagnosetests und Umweltsensoren eingebettet sind, idealerweise zusammen mit anderen nachhaltigen Komponenten wie Bildschirmen und Verpackungen. 

Strukturelle Batterien.

Die Forschung befasst sich schon seit vielen Jahren mit der Frage, wie man die Batterie nicht nur als Energiequelle, sondern auch als strukturelle Komponente nutzen kann. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Produkt die strukturellen Komponenten reduziert werden können, da die Batterie die nötige Festigkeit besitzt, um diese Aufgaben zu übernehmen. Die neueste Batterie, bei der als negative Elektrode Kohlefaser und als positive Elektrode Lithium-Eisen-Phosphat verwendet wird, weist eine Steifigkeit von 25 GPa auf, obwohl die Energiekapazität noch gesteigert werden muss. Strukturelle Batterien könnten so zu superleichten Elektrofahrzeugen führen. 

Kobaltfreie Lithium-Ionen-Batterie.

Forscher der Universität von Texas haben eine Lithium-Ionen-Batterie entwickelt, die kein Kobalt für die Kathode verwendet. Stattdessen wurde ein hoher Prozentsatz an Nickel (89 Prozent) verwendet, die anderen Bestandteile sind Mangan und Aluminium. Kobalt ist der am seltensten vorkommende und teuerste Bestandteil von Batteriekathoden. Mit dieser Innovation werden gängige Probleme überwunden und eine gute Batterielebensdauer und eine gleichmäßige Verteilung der Ionen gewährleistet. 

Lithium-Ionen-Batterien mit Siliziumanoden.

Um das Problem des instabilen Siliziums in Lithium-Ionen-Batterien zu lösen, haben Forscher der Universität Ostfinnland eine Methode zur Herstellung einer Hybridanode entwickelt, bei der mesoporöse Silizium-Mikropartikel und Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet werden. Ziel ist es, Graphit als Anode in Batterien zu ersetzen und Silizium zu verwenden, das eine zehnmal höhere Kapazität hat. Die Verwendung dieses Hybridmaterials verbessert die Leistung der Batterie, während das Siliziummaterial nachhaltig aus Gerstenschalenasche hergestellt wird. 

Lithium-Schwefel-Batterien.

Forscher der Monash University haben eine Lithium-Schwefel-Batterie entwickelt, die ein Smartphone fünf Tage lang mit Strom versorgen kann und damit Lithium-Ionen-Akkus übertrifft. Die Forscher haben diese Batterie hergestellt, verfügen über Patente und haben das Interesse von Herstellern. Die Gruppe verfügt über Finanzmittel für weitere Forschungen und sagt, dass die Forschung in Bezug auf Autos und Netznutzung fortgesetzt wird. Die neue Batterietechnologie soll eine geringere Umweltbelastung als Lithium-Ionen-Batterien und niedrigere Herstellungskosten haben und gleichzeitig das Potenzial bieten, ein Fahrzeug über 1000 km oder ein Smartphone fünf Tage lang mit Strom zu versorgen. 

Meerwasserbatterie.

IBM Research berichtet, dass es eine neue Batteriechemie entdeckt hat, die frei von Schwermetallen wie Nickel und Kobalt ist und die Lithium-Ionen-Batterie möglicherweise übertreffen könnte. Nach Angaben von IBM Research wurde diese Chemie bisher noch nie in Kombination in einer Batterie verwendet und die Materialien können aus Meerwasser gewonnen werden. Die Leistung der Batterie ist vielversprechend: IBM Research zufolge kann sie die Lithium-Ionen-Batterie in einer Reihe von Bereichen übertreffen - sie ist billiger in der Herstellung, lässt sich schneller aufladen als die Lithium-Ionen-Batterie und kann sowohl eine höhere Leistung als auch eine höhere Energiedichte liefern. All dies ist in einer Batterie mit schwer entflammbaren Elektrolyten möglich. IBM Research weist darauf hin, dass seine neue Batterietechnologie aufgrund dieser Vorteile für Elektrofahrzeuge geeignet ist, und arbeitet unter anderem mit Mercedes-Benz zusammen, um diese Technologie zu einer brauchbaren kommerziellen Batterie zu entwickeln.

Sandbatterie.

Diese alternative Art von Lithium-Ionen-Akku verwendet Silizium, um eine dreimal höhere Leistung als die derzeitigen Graphit-Lithium-Ionen-Akkus zu erzielen. Die Batterie ist immer noch eine Lithium-Ionen-Batterie wie die in Ihrem Smartphone, aber sie verwendet Silizium anstelle von Graphit in den Anoden. Wissenschaftler der University of California Riverside beschäftigen sich schon seit einiger Zeit mit Nano-Silizium, das sich jedoch zu schnell zersetzt und nur schwer in großen Mengen hergestellt werden kann. Durch die Verwendung von Sand kann es gereinigt, pulverisiert und dann mit Salz und Magnesium gemahlen werden, bevor es erhitzt wird, um Sauerstoff zu entfernen, wodurch reines Silizium entsteht. Dieses ist porös und dreidimensional, was sich positiv auf die Leistung und potenziell auf die Lebensdauer der Batterien auswirkt. 

Wi-Fi Energieübertragung.

Während das kabellose induktive Laden weit verbreitet ist, bleibt die Erfassung von Energie aus Wi-Fi oder anderen elektromagnetischen Wellen eine Herausforderung. Ein Forscherteam hat jedoch eine Rectenna (Antenne zum Einfangen von Radiowellen) entwickelt, die nur einige Atome groß ist, was sie unglaublich flexibel macht. Die Idee ist, dass Geräte diese Gleichrichter auf Molybdändisulfid-Basis enthalten können, so dass Wechselstrom aus dem Wi-Fi in der Luft gewonnen und in Gleichstrom umgewandelt werden kann, um entweder eine Batterie aufzuladen oder ein Gerät direkt zu betreiben. So könnten medizinische Pillen ohne interne Batterie, das heisst sicherer für den Patienten, mit Strom versorgt werden. Mobile Geräte, die zum Aufladen nicht an eine Stromversorgung angeschlossen werden müssen, ist eine weiter Anwendung.

Ein TENG - oder triboelektrischer Nanogenerator - ist eine Technologie zur Energiegewinnung, die den durch den Kontakt zweier Materialien erzeugten elektrischen Strom auffängt. Ein Forschungsteam des Surrey's Advanced Technology Institute und der University of Surrey hat einen Einblick gegeben, wie diese Technologie eingesetzt werden könnte, um beispielsweise tragbare Geräte mit Strom zu versorgen. Auch wenn wir noch weit davon entfernt sind, sie in Aktion zu sehen, sollten die Forschungsergebnisse den Designern die Werkzeuge an die Hand geben, die sie benötigen, um künftige TENG-Implementierungen effektiv zu verstehen und zu optimieren.

Gold-Nanodraht-Batterien.

An der Universität von Kalifornien in Irvine haben kluge Köpfe Nanodraht-Batterien geknackt, die viele Aufladungen verkraften. Das Ergebnis könnten zukünftige Batterien sein, die nicht sterben. Nanodrähte, die tausendmal dünner sind als ein menschliches Haar, stellen eine großartige Möglichkeit für zukünftige Batterien dar. Aber bisher sind sie beim Aufladen immer kaputt gegangen. Bei dieser Entdeckung werden Goldnanodrähte in einem Gelelektrolyt verwendet, um dies zu vermeiden. Diese Batterien wurden innerhalb von drei Monaten mehr als 200.000 Mal aufgeladen und wiesen keinerlei Beeinträchtigung auf.

Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien.

Festkörperbatterien bieten traditionell Stabilität, allerdings auf Kosten der Elektrolytübertragungen. In einem von Toyota-Wissenschaftlern veröffentlichten Papier wird über ihre Tests einer Festkörperbatterie berichtet, die superionische Sulfid-Leiter verwendet. All dies bedeutet eine überlegene Batterie. Das Ergebnis ist eine Batterie, die auf dem Niveau eines Superkondensators arbeitet und in nur sieben Minuten vollständig aufgeladen oder entladen werden kann - ideal für Autos. Da es sich um eine Festkörperbatterie handelt, ist sie auch viel stabiler und sicherer als derzeitige Batterien. Die Festkörperbatterie soll auch bei bis zu minus 30 Grad Celsius und bis zu hundert Grad Celsius arbeiten können. Die Elektrolytmaterialien sind zwar noch nicht ganz ausgereift, so dass man nicht davon ausgehen kann, dass sie bald in Autos eingesetzt werden, aber es ist ein Schritt in die richtige Richtung hin zu sichereren, schneller aufladbaren Batterien.

Grabat-Graphen-Batterien.

Graphenbatterien haben das Potenzial, eine der besten verfügbaren Batterien zu sein. Grabat hat Graphenbatterien entwickelt, die Elektroautos eine Reichweite von bis zu 500 Meilen mit einer Ladung ermöglichen könnten. Graphenano, das Unternehmen, das hinter der Entwicklung steht, sagt, dass die Batterien in nur wenigen Minuten voll aufgeladen werden können und 33-mal schneller geladen und entladen werden können als Lithium-Ionen-Batterien. Die Entladung ist auch für Autos entscheidend, die große Mengen an Energie benötigen, um schnell wegfahren zu können. Es ist nicht bekannt, ob Grabat-Batterien derzeit in Produkten verwendet werden, aber das Unternehmen hat Batterien für Autos, Drohnen, Fahrräder und sogar für den Haushalt im Angebot.

Lasergefertigte Mikro-Superkondensatoren.

Wissenschaftler der Rice University haben einen Durchbruch bei Mikro-Superkondensatoren erzielt. Derzeit sind sie noch teuer in der Herstellung, doch mit Hilfe von Lasern könnte sich das bald ändern. Durch den Einsatz von Lasern zum Einbrennen von Elektrodenmustern in Kunststoffplatten sinken die Herstellungskosten und der Aufwand massiv. Das Ergebnis ist eine Batterie, die sich 50-mal schneller aufladen lässt als heutige Batterien und sich noch langsamer entlädt als heutige Superkondensatoren. Sie sind sogar so robust, dass sie in Tests mehr als 10.000 Mal gebogen werden können.

Schaumstoff-Batterien.

Prieto glaubt, dass die Zukunft der Batterien in 3D liegt. Dem Unternehmen ist es gelungen, mit seiner Batterie, die ein Kupfersubstrat aus Schaumstoff verwendet, dieses Ziel zu erreichen. Das bedeutet, dass diese Batterien nicht nur sicherer sind, da sie kein entflammbares Elektrolyt enthalten, sondern auch eine längere Lebensdauer, eine schnellere Aufladung, eine fünfmal höhere Dichte, eine billigere Herstellung und eine geringere Größe als die derzeitigen Angebote bieten. Prieto will seine Batterien zunächst in kleinen Gegenständen, wie z. B. Wearables, unterbringen. Die Batterien können aber nach eigenen Angaben hochskaliert werden, so dass sie in Zukunft auch in Telefonen und vielleicht sogar in Autos eingesetzt werden könnten. 

Faltbare Batterie.

Die Jenax J.Flex-Batterie wurde entwickelt, um biegsame Gadgets möglich zu machen. Die papierähnliche Batterie kann gefaltet werden und ist wasserdicht, sodass sie in Kleidung und Wearables integriert werden kann. Die Batterie wurde bereits entwickelt und sogar Sicherheitstests unterzogen. So konnte sie über 200.000 Mal gefaltet werden, ohne an Leistung zu verlieren. Zukünftige Batterien, die in Kürze erscheinen, laden sich innerhalb von Sekunden auf und halten Monate.

Upp Wasserstoff-Brennstoffzellen-Ladegerät.

Das tragbare Wasserstoff-Brennstoffzellen-Ladegerät von Upp ist ab sofort erhältlich. Es nutzt Wasserstoff, um Ihr Handy mit Strom zu versorgen, damit Sie unabhängig vom Stromnetz sind und die Umwelt schonen. Eine Wasserstoffzelle reicht für fünf volle Ladungen eines Mobiltelefons (25Wh Kapazität pro Zelle). Das einzige Nebenprodukt ist Wasserdampf. Eine USB-Buchse vom Typ A ermöglicht das Aufladen der meisten USB-Geräte mit einem Ausgang von 5 V, 5 W und 1000 mA. 

Aluminium-Luft-Batterie.

Ein Auto hat es geschafft, mit einer einzigen Batterieladung 1.100 Meilen weit zu fahren. Das Geheimnis dieser enormen Reichweite liegt in einer Batterietechnologie namens Aluminium-Luft, bei der die Kathode mit Sauerstoff aus der Luft gefüllt wird. Dadurch ist sie viel leichter als flüssigkeitsgefüllte Lithium-Ionen-Batterien, was dem Auto eine viel größere Reichweite verleiht.

Urinbetriebene Batterien.

Die Bill Gates Foundation finanziert weitere Forschungsarbeiten des Bristol Robotic Laboratory, das Batterien entdeckt hat, die mit Urin betrieben werden können. Sie sind effizient genug, um ein Smartphone aufzuladen, was die Wissenschaftler bereits vorgeführt haben. Aber wie funktioniert das? Mithilfe einer mikrobiellen Brennstoffzelle nehmen Mikroorganismen den Urin auf, zerlegen ihn und geben Strom ab.

Strom aus Schall.

Forscher im Vereinigten Königreich haben ein Telefon gebaut, das sich mit Hilfe der Umgebungsgeräusche in der Atmosphäre aufladen kann. Das Smartphone wurde nach dem Prinzip des piezoelektrischen Effekts gebaut. Es wurden Nanogeneratoren entwickelt, die Umgebungsgeräusche aufnehmen und sie in elektrischen Strom umwandeln. Die Nanostäbchen reagieren sogar auf die menschliche Stimme, was bedeutet, dass gesprächige Handybenutzer ihr eigenes Telefon mit Strom versorgen könnten, während sie sich unterhalten.

Liquid-Flow-Batterien.

Harvard-Wissenschaftler haben eine Batterie entwickelt, die ihre Energie in organischen Molekülen speichert, die in pH-neutralem Wasser gelöst sind. Den Forschern zufolge kann die Flow-Batterie dank dieser neuen Methode im Vergleich zu den derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien außergewöhnlich lange halten. Es ist unwahrscheinlich, dass diese Technologie in Smartphones und ähnlichen Geräten zum Einsatz kommt, da die flüssige Lösung der Flow-Batterien in großen Tanks gelagert wird - je größer, desto besser. Man geht davon aus, dass sie sich ideal zur Speicherung von Energie eignen, die durch erneuerbare Energien wie Wind und Sonne erzeugt wird.

Durchflussbatterie.

In der Tat hat ein Forschungsteam der Stanford University Flüssigmetall in einer Durchflussbatterie verwendet, die potenziell großartige Ergebnisse liefert und die doppelte Spannung herkömmlicher Durchflussbatterien aufweist. Das Team hat vorgeschlagen, dass dies eine großartige Möglichkeit sein könnte, intermittierende Energiequellen wie Wind oder Sonne zu speichern, um sie bei Bedarf schnell ins Netz einzuspeisen.

Flüssigkeitsstrombatterie.

IBM und die ETH Zürich haben eine viel kleinere Flüssigkeitsstrombatterie entwickelt, die möglicherweise in mobilen Geräten eingesetzt werden könnte. Diese neue Batterie soll in der Lage sein, Komponenten nicht nur mit Strom zu versorgen, sondern sie auch gleichzeitig zu kühlen. Die beiden Unternehmen haben zwei Flüssigkeiten entdeckt, die dieser Aufgabe gewachsen sind. Sie werden in einem System verwendet, das 1,4 Watt Leistung pro Quadratzentimeter erzeugen kann, wobei 1 Watt Leistung für die Stromversorgung der Batterie reserviert ist.

Zink-Luft-Batterien.

Wissenschaftler der Universität Sydney glauben, dass sie einen Weg gefunden haben, Zink-Luft-Batterien viel billiger herzustellen als die derzeitigen Methoden. Zink-Luft-Batterien sind den Lithium-Ionen-Batterien überlegen, da sie nicht in Brand geraten können. Das einzige Problem ist, dass sie auf teure Komponenten angewiesen sind, um zu funktionieren. Der Universität Sydney ist es gelungen, eine Zink-Luft-Batterie zu entwickeln, die ohne die teuren Komponenten auskommt und stattdessen einige billigere Alternativen bietet. Die Forschung richtet sich auf sicherere und billigere Batterien.

Intelligente Kleidung.

Forscher an der Universität Surrey entwickeln eine Möglichkeit, Ihre Kleidung als Energiequelle zu nutzen. Die Batterie heißt Triboelectric Nanogenerators (TENGs), die Bewegung in gespeicherte Energie umwandelt. Der gespeicherte Strom kann dann zum Betrieb von Mobiltelefonen oder Geräten wie Fitbit-Fitness-Trackern verwendet werden. Die Technologie könnte nicht nur auf Kleidung angewendet werden, sondern auch in den Bürgersteig integriert werden, so dass sie, wenn man ständig darüber läuft, Strom speichern kann, der dann zum Betrieb von Straßenlaternen oder in Autoreifen verwendet werden kann, um ein Auto anzutreiben.

Dehnbare Batterien.

Ingenieure der University of California in San Diego haben eine dehnbare Biobrennstoffzelle entwickelt, die aus Schweiß Strom erzeugen kann. Die erzeugte Energie soll ausreichen, um LEDs und Bluetooth-Funkgeräte zu betreiben, was bedeutet, dass sie eines Tages tragbare Geräte wie Smartwatches und Fitness-Tracker versorgen könnte.

Die Graphen-Batterie von Samsung.

Samsung ist es gelungen, "Graphenkugeln" zu entwickeln, welche die Kapazität seiner derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien um 45 % erhöhen und sich fünfmal schneller aufladen lassen als die derzeitigen Batterien. Zum Vergleich: Samsung sagt, dass sein neuer Graphen-Akku in 12 Minuten vollständig aufgeladen werden kann, im Vergleich zu etwa einer Stunde für das derzeitige Gerät. Samsung sagt auch, dass die Batterie nicht nur für Smartphones, sondern auch für Elektrofahrzeuge verwendet werden kann, da sie Temperaturen von bis zu 60 Grad Celsius standhalten kann.

Was kommt demnächst auf den Markt?

Kurz- und mittelfristige Verfügbarkeit.

Da der Weltmarkt riesig ist, sind Batterietechnologien stetig in Entwicklung. Doch nicht alles, was kurz- und mittelfristig Bestand hat ist auch eine Zukunftstechnologie. Doch es gibt Ansätze für komplett neue Anwendungen. Dabei sind sekundenschnelle Aufladung, monatelange Lebensdauer und Stromversorgung über die Luft die wichtigsten Neuerungen. Energiegewinnung, -speicherung und -erzeugung ist nach wie vor ein dynamischer Forschungsbereich.

Ladegerät für 30 Sekunden Ladung.

StoreDot, ein Start-up-Unternehmen, das aus der Nanotechnologieabteilung der Universität Tel Aviv hervorgegangen ist, hat das StoreDot-Ladegerät entwickelt. Es funktioniert mit aktuellen Smartphones und verwendet biologische Halbleiter, die aus natürlich vorkommenden organischen Verbindungen, den so genannten Peptiden - kurzen Ketten von Aminosäuren - bestehen, die die Bausteine von Proteinen sind. Das Ergebnis ist ein Ladegerät, das Smartphones in 60 Sekunden wieder aufladen kann. Die Batterie besteht aus "nicht entflammbaren organischen Verbindungen, die in einer mehrschichtigen Sicherheitsstruktur eingeschlossen sind, die Überspannung und Erhitzung verhindert", so dass es keine Probleme mit einer Explosion geben sollte. 

Transparentes Solarladegerät.

Alcatel hat ein Mobiltelefon mit einem transparenten Solarpanel über dem Bildschirm vorgestellt, mit dem der Benutzer sein Telefon aufladen kann, indem er es einfach in die Sonne hält. Das Telefon funktioniert sowohl mit direktem Sonnenlicht als auch mit normalem Licht, genau wie herkömmliche Solarzellen.

Zukünftige Batterien, die in Kürze verfügbar sein werden, laden sich in Sekundenschnelle auf und können monatelang über die Luft mit Strom versorgt werden.

uBeam.

uBeam nutzt Ultraschall zur Übertragung von Strom. Der Strom wird in Schallwellen umgewandelt, die für Menschen und Tiere unhörbar sind, übertragen werden und beim Erreichen des Geräts wieder in Strom umgewandelt werden. Auf das uBeam-Konzept stieß die 25-jährige Astrobiologie-Absolventin Meredith Perry. Sie gründete das Unternehmen, das es ermöglichen wird, Geräte über die Luft mit einer 5 mm dicken Platte aufzuladen. Diese Sender können an Wänden angebracht oder zu dekorativer Kunst verarbeitet werden, um Smartphones und Laptops mit Strom zu versorgen. Die Geräte brauchen nur einen dünnen Empfänger, um die Ladung zu empfangen.

Meerwasserbatterien.

Der von IBM entwickelte Ansatz, aus Meerwasser gewonnene Materialien zu verwenden kommt einem Verzicht auf Seltene Erden gleich, was in Zukunft eine nachhaltige Batterieanwendung ermöglichen. So würden die mit dem Abbau von Mineralien verbundenen Kosten für Mensch und Umwelt entfallen. Diese "Meerwasserbatterie" würde weniger kosten, sich superschnell aufladen lassen, eine höhere Energiedichte haben und feuerfester sein als Lithium-Ionen-Batterien. Eine Meersalzbatterie mit der 4-fachen Kapazität von Lithium ist eine echte Alternative zur Lithium-Ionen-Batterie. Diese neue Natriumbatterie hat das Potenzial, die Kosten drastisch zu senken. Eine Natrium-Schwefel-Verbindung, welche aus Meerwasser gewonnen werden kann wird zu einer Art geschmolzenem Salz verarbeitet. Da Meersalz überall vorkommt, könnte es eine attraktive und skalierbare Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien darstellen. Der chinesische Batteriegigant CATL könnte bereits im nächsten Jahr mit der Herstellung von Natrium-Ionen-Batterien beginnen, und eine Reihe von Start-ups arbeitet ebenfalls an der Erhöhung der Produktionskapazität für die Natrium-Ionen-Produktion. Das britische Unternehmen Faradion konzentriert sich seit 2011 auf Natriumbatterien. HiNa Battery Technology in China, Tiamat in Frankreich, Altris AB in Schweden und Natron Energy in den USA arbeiten ebenfalls an der Kommerzialisierung von Natrium-Ionen-Technologien.

Forscher auf der ganzen Welt versuchen, die C-Rate zu verbessern, um sicherzustellen, dass die Batterien langfristig eine bessere elektrische Reserve bieten können. Darüber hinaus muss auch das Problem der Größe gelöst werden. Einer der Hauptnachteile von Meerwasser- und Salzwasserbatterien ist ihre große Größe. Die Batterien müssen tragbar sein, damit sie bequem verwendet werden können. Da diese Batterien nachhaltig sind, sind sie gut für die Umwelt und unsere Erde. Wenn es also gelingt, Meerwasser- und Salzwasserbatterien in Massenproduktion herzustellen, können sie eine gute Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien sein.

Kurzfristig könnten Natrium-Ionen-Batterien für Anwendungen eingesetzt werden, die eine geringere Energiedichte und eine längere Lebensdauer erfordern, z. B. für die stationäre Speicherung, wodurch sich die Versorgungsengpässe bei den Rohstoffen für Lithium-Ionen-Batterien, die für Elektrofahrzeuge benötigt werden, verringern könnten.

Sand-Batterien.

Graphit, das für die Anode in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, kann durch Silizium im Nanomaßstab ersetzt werden, um die Leistung zu steigern. Nanoskaliges Silizium zersetzt sich jedoch schnell und ist nur schwer herzustellen. Glücklicherweise kann es - theoretisch - durch Siliziumdioxid ersetzt werden, das häufig in Quarz und dem Hauptbestandteil von Sand vorkommt. Diese Technologie befindet sich aber noch im Forschungsstadium.

Wi-Fi-Batterien.

Schon mehr als die Hälfte aller heutigen Ladesäulen für Elektrofahrzeuge nutzen Mobilfunk- oder WiFi-Technologie sowie Bluetooth. Über die Cloud und mit Nutzung der 5G Verbindung wird es künftig möglich sein, Funkfrequenzen zum Aufladen von E-Fahrzeugen zu nutzen. Schon Nikola Tesla schlug vor, Energie über die Luft, in der oberen Atmosphäre, zu übertragen. Das war vor über hundert Jahren. Auch wenn die modernsten Technologien nichts mit „Äther“ zu tun haben ist doch die landläufige Vorstellung einer WiFi-Energieübertragung sehr ähnlich.

Biologische Halbleiter.

Eine definitiv futuristische Idee ist das Konzept von biologischen Halbleitern. Dies soll mit Hilfe von "Nanopunkten", die aus organischem Material gewonnen werden, möglich werden um einen Akku in 30 Sekunden aufzuladen. Die Nanopunkte erhöhen die Kapazität der Elektroden und des Elektrolyten und ermöglichen so ein superschnelles Aufladen von Akkus für mobile Geräte. Biologische Halbleiter, die sich noch in der Forschungsphase befinden, könnten eines Tages in Batterien für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektrode.

NAWA Technologies hat eine ultraschnelle Kohlenstoffelektrode entwickelt und patentiert, die nach eigenen Angaben den Batteriemarkt grundlegend verändern wird. Sie verwendet ein vertikal ausgerichtetes Kohlenstoffnanoröhrchen (VACNT) und kann laut NAWA die Batterieleistung um das Zehnfache erhöhen, die Energiespeicherung um das Dreifache steigern und die Lebensdauer einer Batterie um das Fünffache verlängern. Das Unternehmen sieht Elektrofahrzeuge als Hauptnutznießer, da sie den CO2-Ausstoß und die Kosten für die Batterieproduktion verringern und gleichzeitig die Leistung erhöhen. NAWA zufolge könnte eine Reichweite von 1000 km zur Norm werden, wobei die Ladezeit auf 5 Minuten reduziert werden könnte, um auf 80 Prozent zu kommen. Die Technologie könnte bereits ab 2023 in Produktion gehen.

Kobaltfreie Batterien für Elektrofahrzeuge.

Während die emissionsmindernden Eigenschaften von Elektrofahrzeugen weithin anerkannt sind, gibt es immer noch Kontroversen über die Batterien, insbesondere über die Verwendung von Metallen wie Kobalt. SVOLT mit Sitz in Changzhou, China, hat bekannt gegeben, dass es kobaltfreie Batterien für den Elektrofahrzeugmarkt hergestellt hat. Das Unternehmen behauptet, dass die Batterien nicht nur weniger Seltenerdmetalle enthalten, sondern auch eine höhere Energiedichte aufweisen, was zu Reichweiten von bis zu 800 km für Elektroautos führen könnte, während gleichzeitig die Lebensdauer der Batterie verlängert und die Sicherheit erhöht wird.

Zap&Go Kohlenstoff-Ionen-Batterie.

Das in Oxford ansässige Unternehmen ZapGo hat die erste verbraucherfertige Kohlenstoff-Ionen-Batterie entwickelt und hergestellt. Ein Kohlenstoff-Ionen-Akku kombiniert die superschnellen Ladefähigkeiten eines Superkondensators mit der Leistung eines Lithium-Ionen-Akkus und ist dabei vollständig recycelbar. Das Unternehmen hat ein Powerbank-Ladegerät entwickelt, das in fünf Minuten vollständig aufgeladen werden kann und ein Smartphone in zwei Stunden voll auflädt.

Quelle 02/2023