Chemieprofessor über Batteriealternative: „Es ist schon ein Riesendurchbruch“

Sie sollen E-Autos antreiben und Strom aus Erneuerbaren speichern. Maximilian Fichtner erklärt, warum Batterien für die Energiewende so wichtig sind.

Nicht alle haben das Potenzial von neuen Batteriemodellen erkannt Foto: Zoonar/imago

wochentaz: Herr Fichtner, das Wichtigste zuerst: Wann gibt es endlich Smartphones, die man nur noch einmal die Woche laden muss?

Maximilian Fichtner: Aktuell sehe ich diese Entwicklung nicht. Bei Handybatterien sind kompakte Materialien sehr wichtig, sie können ein bisschen schwerer sein, aber dürfen eben nicht größer werden. Dort gibt es derzeit wenig Fortschritt, weil die verwendeten Rohstoffe schon eine sehr hohe Energiedichte haben. Dafür tut sich viel bei den Ladezeiten: Mein neues Handy ist in zwanzig Minuten vollständig geladen.

im Interview:

Maximilian Fichtner

Foto: Foto: Helmholtz-Institut

geboren 1961, forscht am Helmholtz-Institut in Ulm und am Karlsruhe Insitute of Technology zu neuen Batteriesystemen jenseits von Lithium-Ionen-Batterien.

Dann sprechen wir eben über große Batterien. Welche Rolle spielen die bei der Energiewende?

Eine wachsende. Stationäre Batteriespeicher sind ausschlaggebend für eine zuverlässige Stromversorgung mit erneuerbaren Energien. Vor einiger Zeit wurde ja fast noch kategorisch ausgeschlossen, dass sie eine bedeutende Aufgabe übernehmen können. Doch in solchen großen Anlagen benötigt man keine Hochleistungsmaterialien, wie Kobalt und Nickel. Das drückt den Preis.

Wann können riesige Batteriespeicher helfen?

Wenn große Verbraucher in kurzer Zeit viel Strom brauchen, kann das die Netzstabilität gefährden. Die zusätzliche Energie, mit der man solche Schwankungen ausgleicht, nennt man Regelenergie. Und dafür sind Batterien ideal geeignet. Mit ihnen kann man eine Viertelstunde locker puffern, bevor ein Gaskraftwerk einspringen muss. In diesem Bereich tut sich gerade sehr viel.

Von welchen Größen reden wir dabei?

Derzeit steht die größte Batterie in Monterey County im US-Bundesstaat Kalifornien. Da hat die Bevölkerung dagegen gestimmt, zwei ausgemusterte Gaskraftwerkblöcke neu zu bauen, die solche Zwischenlasten übernehmen. Also hat man die alten Kraftwerkhallen entkernt und einfach eine riesige Batterie reingestellt. Die Anschlüsse an das Stromnetz waren ja schon da. Die Batterie hat eine geplante Kapazität von sechs Gigawattstunden. Damit könnte man eine Million Haushalte einen Tag lang mit Strom versorgen. Das ist kein Kindergeburtstag mehr.

Und wie sieht es damit in Deutschland aus?

Aktuell sind die Speicher hier noch relativ klein. Nimmt man alle zusammen, kommt man auf etwas mehr als die Kapazität der Batterie in Kalifornien. Doch der Bereich wächst stark, im letzten Jahr ist die gesamte Kapazität um mehr als das Eineinhalbfache gestiegen.

Dabei kommen meist Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz, der heutige Goldstandard. Was macht sie so erfolgreich?

Dazu muss man erst einmal verstehen, wie so eine Batterie funktioniert. Eine Batterie hat einen Plus- und einen Minuspol. Die sind wie zwei Regale, zwischen denen das Lithium hin- und herwandert. Dabei ist auch immer ein Elektron involviert, welches im Stromkreis außerhalb der Batterie zwischen den Polen hin- und herwandert – wir wollen ja eigentlich kein Lithium speichern, sondern Elektrizität. Da Lithiumatome ziemlich klein sind, passt es zudem in großen Mengen in die kleinen Regalfächer. Diese Anordnung hat also eine sehr hohe Kapazität, das heißt: viele elektrische Ladungen pro Raum und Gewicht. Hinzu kommt, dass mit dem Lithium sozusagen der Höhenunterschied zwischen den Regalfächern – die Spannung – energetisch gesehen relativ hoch ist. Und Spannung mal Kapazität ist Energie. Mit Lithium-Ionen-Batterien bekommt man die größten Energien, die derzeit erreichbar sind.

Trotzdem hat die Lithium-Ionen-Batterie inzwischen einen ziemlich schlechten Ruf.

In den letzten fünf bis zehn Jahren ist die nachhaltige Zusammensetzung der Batteriematerialen immer wichtiger geworden. Aber mit der Nachhaltigkeit der Lithium-Ionen-Batterie ist das so eine Sache. Viele Menschen meinen etwa, dass sich darin seltene Erden befinden.

Stimmt das etwa nicht?

Nein, diesen Mythos haben Thinktanks der Ölindustrie in die Welt gesetzt. In anderen Batterien gibt es seltene Erden, aber nicht in Lithium-Ionen-Akkus.

Alternative Batteriemodelle

Wie sieht die Zukunft der Batterie aus? Vier Ansätze geben einen Einblick in den Energiespeicher von morgen.

Weniger Hülle

Seit den 2000er Jahren sind Autobatterien von europäischen Herstellern als sogenannte Batteriepacks aufgebaut: Einzelne Batteriezellen, ungefähr so groß wie eine Tafel Schokolade, werden in Modulen gestapelt, die wiederum aneinandergereiht das Batteriepack ergeben. Diese Bauweise benötigt viel Verpackungsmaterial, das wertvollen Platz wegnimmt.

Chinesischen Hersteller gelang es, zu Beginn des Jahrzehnts Zellen zu produzieren, die ungefähr die Größe eines Laminatpaneels haben, also bis zu 1,20 Meter lang sind. Diese werden nun ohne den Umweg über einzelne Module direkt in das Batteriepack gesteckt. Dadurch benötigen sie im Vergleich zum herkömmlichen Aufbau etwa ein Drittel weniger Platz. Um die gleiche Reichweite zu erreichen, kann man sich im sogenannten Cell-to-Pack-Design deshalb mit weniger leistungsfähigen Materialien zufriedengeben, das senkt den Preis und schont knappe Rohstoffe: In der Lithiumbatterie ließe sich Kobalt durch das nachhaltige Eisenphosphat ersetzen, oder man verzichtet ganz auf Lithium und setzt auf die Natrium-Ionen-Technologie.

Einsatzfähigkeit: 5/5

Potenzial für Veränderung: 3/5

Vorteile: Kosten, Nachhaltigkeit,

Effizienz

Mehr Kochsalz

Der Erfolgszug der Natrium-Ionen-Batterie begann mit einem E-Bike: 2015 führte die britische Firma Faradion dieses erste elektrische Fahrzeug vor, bei dem Lithium durch Natrium ersetzt wurde. Das ist zwar als Bestandteil einer Batterie nicht so leistungsfähig wie Lithium, dafür aber als Natriumchlorid, also Kochsalz, praktisch unbegrenzt verfügbar – auch in Deutschland. Natriumbatterien enthalten weder Kupfer noch Kobalt und sind so deutlich günstiger als Lithium-Ionen-Akkus. Außerdem sind sie weniger kälteanfällig, was der E-Mobilität im Winter in gemäßigten Klimazonen zugutekommt. In China sind bereits die ersten E-Autos mit Natriumbatterien und Reichweiten von 300 Kilometern erhältlich.

Gerade im stationären Bereich, wo Platz und Gewicht nicht so entscheidend sind, ist die Natrium-Ionen-Batterie vielversprechend. Große Energiespeicher können etwa einspringen, wenn kurzzeitig nicht genügend Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht. Eine solche Natrium-Ionen-Batterie hat das US-amerikanische Unternehmen Natron Energy schon 2021 auf den Markt gebracht.

Einsatzfähigkeit: 4/5

Potenzial für Veränderung: 4/5 

Vorteile: Kosten, Nachhaltigkeit, wirtschaftliche Unabhängigkeit

Neues Material

Heutzutage besteht der Minuspol einer Lithium-Ionen-Batterie hauptsächlich aus Graphit. Das macht den Aufladeprozess verhältnismäßig langsam. Silizium hingegen kann die zehnfache elektrische Ladung pro Gramm speichern – eine Autobatterie mit einem Minuspol aus Silizium ließe sich in wenigen Minuten fast vollständig aufladen. Der Stopp an der Tankstelle wäre kaum länger als der Tankvorgang bei einem Verbrenner.

Allerdings gibt es einen Haken: Silizium dehnt sich beim Kontakt mit Lithium stark aus. Forscher:innen versuchen, diesen Prozess zu stabilisieren, etwa indem sie Siliziumpartikel mit anderen Materialien mischen oder ein Zwischenmedium einsetzen, das sich der Ausdehnung anpasst. Verschiedene Unternehmen wollen 2024 Produktionswerke für Silizium-Minuspole in Betrieb nehmen. Auch Mercedes-Benz will die Technologie in Autos einsetzen. Nachdem der dafür ursprünglich geplante Termin 2024 nicht gehalten werden konnte, plant der Hersteller nun eine Auslieferung in der „Mitte des Jahrzehnts“. Diese ersten Produkte sind jedoch noch weit entfernt von der theoretischen Höchstleistung von Silizium-Akkus.

Einsatzfähigkeit: 3/5 

Potenzial für Veränderung: 3/5

Vorteile: Reichweite, Ladezeit

Fest statt flüssig

Festkörperbatterien gelten als der heilige Gral der Batterietechnik. Sie sollen kleiner und leichter sein und sich obendrein noch schneller aufladen lassen. Bei dieser Technologie wird der flüssige Elektrolyt, bei Lithium-Ionen-Akkus etwa die Lithium-Lösung, durch festes Material ersetzt. So lassen sich bei gleicher Größe und Gewicht wesentlich höhere Energien speichern – zumindest theoretisch. Denn die Festkörperbatterien sind eine jener Technologien, die laut ihren Unterstützer:innen seit Jahren immer ganz kurz vor dem Durchbruch stehen.

Ein Problem in der Herstellung ist, dass sich das Material beim Aufladen zwangsläufig etwas ausdehnt und beim Entladen wieder zusammenschrumpft. Das macht bei einem flüssigen Elektrolyten keine Probleme, kann aber für Brüche im Material sorgen, wenn zwei feste Flächen aneinander reiben. Eine alltagstaugliche Lösung für dieses Problem haben Forscher:innen bisher nicht gefunden. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung rechnet erst gegen Ende der 2020er mit dem ersten Einsatz in E-Autos.

Einsatzfähigkeit: 2/5

Potenzial für Veränderung: 5/5

Vorteile: Reichweite, Ladezeit, Sicherheit

Bei der Kritik an Lithium-Ionen-Akkus geht es nicht nur um ihren Inhalt. Die Kobaltminen im Kongo sind berüchtigt für Kinderarbeit.

1991 brachte Sony die erste Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt – mit einem Pluspol aus Kobalt. Das Metall ist für große Batterien aber keine besonders gute Lösung, es ist teuer, giftig und kann Sicherheitsprobleme verursachen. Deshalb versucht man es seit Anfang der 90er Jahre zu ersetzen. Ende der 90er hatte der Pluspol noch 30 Prozent Kobaltanteil. Seit 2019 produziert Tesla Batterien mit einem Kobaltanteil von 2,8 Prozent. Ein Großteil der neuen E-Autos fährt bereits jetzt ohne Kobalt.

Trotzdem gehen Expert:innen davon aus, dass die Nachfrage nach Kobalt in den nächsten Jahren noch wachsen wird.

BASF hat im brandenburgischen Schwarzheide gerade ein Werk für die Herstellung von Materialien im Minuspol von Batterien eröffnet. Das ist die größte Fabrik in Europa, dort wird immer noch Kobalt verbaut. Allerdings kommt die Hälfte davon aus Finnland und die andere Hälfte aus dem Recycling. Es gibt nach wie vor Kinderarbeit im Kongo, aber dieses Kobalt landet größtenteils in chinesischer Billigelektronik.

Die Lithium-Ionen-Batterie steht auch wegen des hohen Wasserverbrauchs in der Kritik.

Chile ist der zweitgrößte Lithium-Produzent weltweit und zum dortigen Abbau gibt es wirklich erschreckende Dokus. Ich habe aber selbst mal beim chilenischen Bergbauministerium nachgefragt, die die Wasserrechte vergeben. Der Lithiumabbau verbraucht ungefähr so viel Wasser wie die Hotels in der Region, das ist achtmal weniger als für den Kupferabbau. Der Lithiumabbau für einen modernen Auto-Akku benötigt etwa 4.000 Liter Wasser; das entspricht der Wassermenge, die man braucht, um ein T-Shirt herzustellen – oder eine halbe Jeans.

Nun ist es aber so, dass in Chile das Lithium aus den Salzseen der Atacama-Wüste gewonnen wird. Sie gilt als eine der trockensten Regionen der Erde und der Wassermangel in der Region nimmt zu.

Ja, die Grundwasserbestände sinken – allerdings schon seit den 1960er Jahren. Damals gab es noch keinen Lithiumabbau, wohl aber Kupferproduktion. Die Lithiumproduktion trägt sicherlich zum Süßwasserverbrauch bei. Sie als Verursacher dieses Wassermangels zu brandmarken, ist aber falsch und widerspricht dem Sachstand.

Und was hat es mit der drohenden Lithiumknappheit auf sich?

Theoretisch liegt in der Erde noch eine große Menge Lithium. Im Augenblick wird es aber nur an wenigen Orten abgebaut, etwa in Chile oder Australien. Andere Lagerstätten werden jetzt erst erschlossen. In den USA wurde gerade ein riesiges Depot entdeckt. Von der Entdeckung bis zur Förderung dauert es allerdings ungefähr zehn Jahre. Wenn es zu einer Knappheit kommt, liegt das daran, dass zu wenig gefördert wurde und auf dem Markt ist.

Lustig: Ausgerechnet von einem Forscher für Lithiumalternativen hören wir hier ein Plädoyer für den Lithium-Ionen-Akku. Warum brauchen wir dann überhaupt alternative Batterietechnologien?

Ich kann nicht ausschließen, dass es zwischenzeitlich einen Lithiummangel geben wird. Um Druck aus der Rohstoffsituation zu nehmen, werden wir Alternativtechniken brauchen. Außerdem gibt es eine politische Komponente: Es geht darum, weniger von anderen Ländern abhängig zu sein und die Rohstoffe für die Energie- und Verkehrswende auch bei uns zu finden. Und schließlich ist die Suche nach Lithiumalternativen auch eine faszinierende Wissenschaft.

wochentaz

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Woran arbeiten Sie da?

Wir sind damit beschäftigt, neue Speicherprinzipien und die dazugehörigen Materialien zu entwickeln. Dabei spielt neben der Performance auch die Nachhaltigkeit eine wichtige Rolle.

Und gibt es einen lokalen und nachhaltigen Ersatz für den Lithium-Ionen-Akku?

Aktuell geht es hauptsächlich um die Natrium-Ionen-Batterie. Da sind keine kritischen Rohstoffe drin, sondern hauptsächlich Natrium und Aluminium. Natrium ist ein Bestandteil von Kochsalz und Aluminium ist das dritthäufigste Element auf der Erde.

Wie beurteilen Sie die aktuellen Entwicklungen?

Es ist schon ein Riesendurchbruch. Ich glaube zwar nicht, dass der Natrium-Ionen-Akku die Lithium-Ionen-Technologie komplett verdrängen wird, aber er wird wichtige Aufgaben übernehmen, etwa bei den stationären Speichern. Es wird in Kürze mehrere Autos chinesischer Hersteller geben, die mit Natriumbatterien fahren.

Wie sieht es in Europa aus?

Die Hauptakteure sind derzeit Faradion aus Großbritannien und Tiamat aus Frankreich. Faradion wurde jetzt von einem indischen Investor aufgekauft, der die Firma finanziell kräftig unterstützt. Sie baut derzeit eine Batteriefabrik und möchte demnächst in größeren Stückzahlen Natrium-Ionen-Akkus produzieren.

In Deutschland sorgte eine Kooperation zwischen dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme und der Altech Group für Schlagzeilen: Sie wollen 2024 Natriumbatterien im großen Stil produzieren.

Ihre Idee dafür basiert eigentlich auf einer alten Erfindung, der Zebra-Batterie. So eine Batterie muss man bei erhöhter Temperatur betreiben. Es kann sein, dass das für den stationären Bereich ein sinnvoller Beitrag ist, man kann solche Batterien aber nicht in ein Auto packen. Für Natriumbatterien im Bereich der E-Mobilität gibt es hierzulande derzeit noch nichts. Ansonsten muss man aber sagen, dass sich Deutschland bei der Batterieproduktion vom großen Zauderer zum Musterknaben entwickelt hat. Bis 2030 ist eine Produktion in 14 sogenannten Gigafactorys auf deutschem Boden geplant, das wäre etwa die Hälfte des europäischen Bedarfs.

Süddeutschland geht dabei relativ leer aus.

Die großen Fabriken gehen alle in den Norden oder in den Osten Deutschlands, weil dort vor Ort erneuerbare Energien verfügbar sind. Die Firmen wollen ihren CO₂-Fußabdruck möglichst gering halten und dafür grünen Strom nutzen. Baden-Württemberg und Bayern sind da vergleichsweise schlechter aufgestellt.

Auf dem Weg zur nachhaltigen Batterie der Zukunft muss sich auch beim Recycling noch viel tun. Wie sieht es in diesem Bereich aus?

Traditionell werden Batterien geschreddert und im Hochofen geschmolzen, um Leicht- und Schwermetalle zu trennen. In Zukunft sollen Roboter sie in ihre Einzelteile zerlegen. Wirklich wichtig sind die großen Recyclingkapazitäten aber erst in den 2030er Jahren. Eine Batterie in einem Elektroauto schafft heutzutage ungefähr 2.000 Ladezyklen, bis sie auf 80 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung runter ist. Bei einer Reichweite von 500 Kilometern sind das eine Million Kilometer. Und danach bekommt die Batterie ja noch ihr sogenanntes zweites Leben, wo sie noch einmal zehn Jahre arbeitet, in einem Windpark oder eine Photovoltaikanlage. Im Augenblick haben wir eigentlich zu viele Recyclingunternehmen in Europa, die eher zu wenig Batterien kriegen. Trotzdem ist es natürlich wichtig, sich auf die wachsende Nachfrage vorzubereiten.