6 Alternativen zu Lithium

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Von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen – Batterien versorgen einige der einflussreichsten Technologien in unserem Leben im Alleingang. Und auch wenn es sich bei Batterien selbst nicht um eine neue Technologie handelt, hat sich der Lithium-Ionen-Typ (Li-on), der die meisten unserer Geräte antreibt, erst vor wenigen Jahrzehnten durchgesetzt. Doch gerade als die Welt auf erneuerbare und nachhaltige Energiequellen wie Wind und Sonne umgestiegen ist, gab es in den letzten Jahren auch ähnliche Durchbrüche bei Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien.

Werfen wir in diesem Artikel einen kurzen Blick auf die Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien, die sich am Horizont abzeichnen. Aber lassen Sie uns zunächst noch einmal zusammenfassen, wie moderne Batterien funktionieren und welche vielen Probleme diese Technologie mit sich bringt.

Bevor wir untersuchen, wie konkurrierende Technologien funktionieren, lohnt es sich, noch einmal einen Blick auf die Grundlagen eines wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkus zu werfen und zu erläutern, warum er in der heutigen Welt nicht gerade ideal ist.

Jede Batterie besteht aus einer Kathode (positive Elektrode), einer Anode (negative Elektrode) und einem Elektrolytmedium. Wenn Sie einen geladenen Li-on-Akku entladen, wandern positiv geladene Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode. Dadurch wird auch ein Elektronenfluss in Gang gesetzt, der zur Stromversorgung elektronischer Geräte genutzt werden kann. Und wenn Sie einen Li-on-Akku aufladen, läuft der gleiche Vorgang in umgekehrter Reihenfolge ab.

Alles in allem erhalten Sie einen Zyklus, der es ermöglicht, einen Li-on-Akku hunderte Male zu laden und zu entladen. Das heißt aber nicht, dass die Technologie perfekt ist.

Li-on-Batterien haben eine Reihe von Nachteilen, die sich auf alles ausgewirkt haben, von der iPhone-Produktion bis hin zur Rentabilität von Elektroautos. Zu diesen Problemen zählen unter anderem:

Angesichts all der oben genannten Probleme sollte es nicht überraschen, dass praktisch alle großen Technologieunternehmen versuchen, alternative Batterietechnologien zu finden. Während viele dieser Bemühungen noch in den Kinderschuhen stecken, könnte eine Handvoll innerhalb des nächsten Jahrzehnts Elektrofahrzeuge der nächsten Generation und andere Unterhaltungselektronik antreiben. Hier finden Sie, ohne Zeit zu verlieren, eine kurze Liste der besten Lithium-Ionen-Alternativen und wie sie die bestehende Batterietechnologie verbessern.

Beginnen wir mit einer Batterietechnologie, die nicht allzu weit von der uns bekannten Li-on-Basislinie abweicht.

Natrium-Ionen-Batterien ersetzen einfach Lithium-Ionen als Ladungsträger durch Natrium. Diese einzelne Änderung hat große Auswirkungen auf die Batterieproduktion, da Natrium weitaus häufiger vorkommt als Lithium. Tatsächlich kann man Salz aus den Ozeanen praktisch überall auf der Welt zur Gewinnung von Natrium verwenden. Dies könnte auch die Kosten der Batterieproduktion senken, da Sie sich nicht mehr um die Lagerung und den Transport eines potenziell gefährlichen Materials wie Lithium kümmern müssen.

Allerdings sind auch Natrium-Ionen-Batterien nicht perfekt. Ihre Ionen sind physikalisch größer als Lithium, was zu einer geringeren Energiedichte führt. In der Praxis kann dies zu einer geringeren Reichweite bei Elektrofahrzeugen und kürzeren Laufzeiten bei Smartphones führen. Dennoch verdienen die anderen Vorteile von Natrium-Ionen-Batterien eine weitere Erforschung der Technologie.

Eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet Kobalt an der Anode, dessen Beschaffung sich als schwierig erwiesen hat. Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) könnten dieses Problem beheben, indem sie stattdessen Schwefel als Kathodenmaterial verwenden. Neben dem Ersatz von Kobalt bieten Li-S-Batterien einige Vorteile, nämlich eine höhere Energiedichte und geringere Produktionskosten.

Das größte Problem bei Lithium-Schwefel-Batterien besteht derzeit in ihrer schnellen Degradationsrate. Obwohl wir bereits 2008 gesehen haben, dass ein solarbetriebenes Flugzeug eine Li-S-Batterie verwendet, warten wir immer noch auf weitere Forschungen, um die Technologie für die Alltagselektronik nutzbar zu machen.

Lithium-Ionen-Batterien verwenden ein flüssiges Elektrolytmedium, das die Bewegung von Ionen zwischen Elektroden ermöglicht. Der Elektrolyt ist typischerweise eine organische Verbindung, die sich entzünden kann, wenn die Batterie überhitzt oder überladen wird. Um dieses Risiko zu verringern, haben Forscher eine Alternative in Form von Festkörperbatterien entwickelt. Diese verwenden einen festen anorganischen Elektrolyten, der rauen Umgebungen und starken Temperaturschwankungen standhalten kann.

Abgesehen von der geringeren Entzündungsgefahr können Festkörperbatterien im Vergleich zu ihren Li-on-Pendants auch mehr Energie speichern. Die höhere Leitfähigkeit eines Festelektrolyten sollte auch zu schnelleren Ladezeiten führen, was bedeutet, dass wir bei Geräten, die auf diese Technologie umsteigen, eine bessere Kapazität und Ladegeschwindigkeit sehen sollten.

Bisher haben wir gesehen, dass Hersteller von Elektrofahrzeugen großes Interesse an Festkörperbatterien zeigen. Honda beispielsweise kündigte an, die Technologie bereits 2024 vorzuführen. Toyota hingegen verfolgt einen konservativeren Ansatz und plant, nach 2027 kommerzielle Festkörperbatterien auf den Markt zu bringen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen ähneln zwar nicht gerade einer wiederaufladbaren Li-Ion-Batterie, haben sich jedoch zu einer beliebten Alternative zur Bereitstellung sauberer Energie entwickelt. Dabei wird gespeichertes Wasserstoffgas mit Luftsauerstoff kombiniert, um Strom und Wasserdampf zu erzeugen. Mit anderen Worten: Das Nebenprodukt der Reaktion ist völlig umweltfreundlich.

Allerdings gibt es immer noch einige Nachteile von Wasserstoff-Brennstoffzellen. In der Automobilindustrie beispielsweise muss ein Netz von Wasserstofftankstellen aufgebaut werden. Außerdem ist der Bau von Wasserstoff-Brennstoffzellen recht teuer. Obwohl wir Autos wie den Toyota Mirai haben, verfügen nur wenige Regionen auf der Welt über die Infrastruktur, um ihre Wasserstofftanks zu betanken.

In einem weiteren Versuch, wiederaufladbare Batterien weniger gefährlich und schädlich zu machen, haben Forscher die Verwendung von Magnesiumionen als Ladungsträger vorgeschlagen. Dies hat einige Vorteile, angefangen bei der reichlichen Verfügbarkeit von Magnesium und der höheren Ionenladung im Vergleich zu Lithium. Letzteres bedeutet, dass Sie mit einer Zelle gleicher Größe eine höhere Energiedichte erzielen. Schließlich verwenden diese Batterien auch einen wässrigen Elektrolyten (Wasser) anstelle einer brennbaren organischen Flüssigkeit.

Obwohl es vielversprechend ist, befinden wir uns noch im Anfangsstadium der Forschung. Die Technologie unterliegt mehreren Einschränkungen, die verhindern, dass sie in absehbarer Zeit als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien dienen kann. Beispielsweise können bestehende Kathodenmaterialien, die mit Lithium arbeiten, nicht für Magnesium verwendet werden. Und die Verwendung eines wässrigen Elektrolyten begrenzt die maximale Spannung der Batterie, da Wasser bei höheren Spannungen zerfällt.

Graphen ist eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter oder einer wabenartigen Struktur angeordnet sind. Eine Graphenschicht ist so dünn, dass man sie praktisch als zweidimensionale Struktur betrachten kann. Diese einzigartige Eigenschaft eignet sich gut für die Batterieproduktion, da sie außerdem eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, ein geringes Gewicht und eine starke physikalische Struktur aufweist. Im Jahr 2021 kündigte der chinesische Automobilhersteller GAC einen Durchbruch in der Graphen-Batterietechnologie an und erreichte eine 80-prozentige Aufladung in nur acht Minuten.

Wir haben viel Aufregung um Graphen als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien gesehen, aber kommerzielle Produkte bleiben vorerst unrentabel. Seine Kosten sind vielleicht der Hauptgrund dafür, dass die Branche es noch nicht angenommen hat. Mit über 60.000 US-Dollar pro Tonne wird Graphen derzeit nur in sehr geringen Mengen verwendet. Ford beispielsweise verwendet Spuren des Materials in Motoren und Kraftstoffsystemen, um Geräusche zu reduzieren und Hitze standzuhalten.

Ja, Lithium-Ionen-Batterien werden derzeit aufgrund von unethischem Bergbau, niedrigen Recyclingquoten und anderen Faktoren auf ökologisch nicht nachhaltige Weise hergestellt.

Lithium-Ionen-Akkus halten in der Regel ein halbes Jahrzehnt oder 800–1.000 Ladezyklen, danach kann es zu erheblichen Leistungseinbußen kommen.

Ja, moderne Lithium-Ionen-Batterien sind relativ sicher, solange sie nicht beschädigt werden und eine sichere Betriebstemperatur haben.

Ja, Lithium-Ionen-Batterien enthalten wertvolle Metalle wie Kobalt und Nickel, die beim Recycling gewonnen werden können. Da sie jedoch ordnungsgemäß gehandhabt werden müssen, ist der Aufwand für das Recycling sehr gering.