Neue Ansätze der Batterie-Technologie

Neue Ansätze der Batterie Technologien zur effizienten Energie-Speicherung

Vor Helgoland experimentiert die Gesellschaft für Kernenergieverwertung in Schiffbau und Schiffahrt (GKSS) mit einer 23 m tief versenkten Radionuklid-Batterie, und auch die Firmen MBB und Siemens arbeiteten daran, die Zerfallswärme radioaktiver Isotope für eine entsprechende Batteriekonstruktion zu nutzen, die später zwar nicht gerade für Kraftfahrzeuge, aber sehr gut für automatische Wetterwarten, Signalbojen u.ä. geeignet ist. Derartige Batterien werden auch bei Satelliten und Raumsonden eingesetzt. Die Cassini-Sonde hatte sogar mehrere Kilogramm Plutonium mit an Bord…!

Die BBC in Mannheim investiert zwischen 1972 und 1987 über 100 Mio. DM in die Entwicklung der Natrium/Schwefel-Batterie. Für den reinen Kfz-Verkehr sind die Versuche der Gesellschaft für elektrischen Straßenverkehr (GES) in Düsseldorf gedacht, die mit einem Wagenpark von 50 Elek­tro-Kleintransportern (Höchstgeschwindigkeit 70 km/h) die erste praktische Erprobung startet. 1973 führt das Batelle-Institut in Frankfurt zusammen mit BBC BMFT-unterstützte Forschungen an Natrium/Schwefel-Batterien durch, und im Rahmen des Groß­versuchs ‚Elektrobus-Programm Nordrhein-Westfalen’ werden mit dem Einsatz von 20 Batterie-Bussen weitere experimentelle Ergebnisse gesammelt. Die Na/S-Batterie hat unter Laborbedingungen eine sehr hohe spezifische Speicherfähigkeit gezeigt (0,3 kWh/kg), allerdings auch eine nicht unproblematische Betriebstemperatur von bis zu 350°C.

Beim dem 1983 versuchsweise durchgeführten Einbau von jeweils 400 kg schweren Ns/S-Akkus in 20 Golf-Pkw zeigt sich, daß die erzielte Reichweite mit nur 70 km sehr gering ist, da die tatsächlich erreichte spezifische Speicherfähigkeit kaum 0,1 kWh/kg erreicht (die Kosten eines einzelnen Elektro-Golfs betragen immerhin 40.000 DM). Es gibt ferner Versuche mit Elektrobussen, die sowohl am Hochleitungsnetz angeschlossen, als auch davon abgetrennt im Schwefel/Natrium-Batteriebetrieb umherfahren können. Auf Landfahrt wird dann ein ebenfalls eingebauter normaler Verbren­nungsmotor eingeschaltet (Hybridtechnik). Noch 1989 wird – ebenfalls vom BMFT gefördert – an einer Natrium/Schwefel-Hochleistungsbatterie geforscht (Gewicht 265 kg, über-Nacht-Aufladung am 220-V-Stomnetz, Fahrzeugreichweite 100 – 150 km). Im Jahr 1991 integriert man dann man spezielle Festkörper-Elektrolyten aus Keramik. Im Vergleich zu Bleiakkumulatoren wird dadurch bei gleichem Energieinhalt nur noch ein viertel des Gewichts bei halbem Bauvolumen benötigt. Mit dieser Batterie ausgerüstete Pkws der Mittelklasse erreichen eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h bei einer Reichweite von 150 – 200 km. Auf 100 km verbraucht die Batterie rund 25 kW/h, sie kann etwa 1.000 mal aufgeladen werden, doch das Aufladen dauert noch 8 Stunden. Von den bis zu diesem Zeitpunkt aufgewendeten Entwicklungskosten von 220 Mio. DM trägt das BMFT etwa ein Drittel.

Die Firma Chloride Silent Power Ltd. in Großbrit­annien nimmt mit der Fachunterstützung des staatlichen Electri­city Council ein 900 kg schweres Versuchsfahrzeug in Betrieb, das mit der Kraft von 960 Natrium/Schwe­fel-Batterien bewegt wird. Bei einer Spitze von 128 km/h hat es eine Reichweite von 240 km. Diese Batterieform wird Ende der 1980er Jahre an der Universität Heidelberg weiterentwickelt, wobei hier besondere Hoffnung für den Einsatz im Verbund mit photovoltaischen Solarsystemen geweckt wird.

Natrium/Schwefel-Batterien werden bereits 1966 von der US-Firma Ford Motor Comp. empfohlen, da sie schon damals den höchsten Entwicklungsstand besitzen und weil ihre Ausgangsmaterialien leicht zugänglich und in ‚beliebiger’ Menge vorhanden sind. Die Trennwand bei derartigen Akkumulatoren besteht aus Keramikmaterial, der Elektrolyt ist fest, dafür sind die Elektroden flüssig. Die Arbeitstemperatur beträgt allerdings 300°C. Ein Fahrzeug mit 500 kg Natrium/Schwefel-Batterien hat 1973 bereits eine Reichweite von etwa 200 km – für die gleiche Reichweite müßte es 2 Tonnen Bleiakkumulatoren mitbewegen! Auch das MIT arbeitet 1976 an dieser Technologie, ein erster Batterie-Prototyp wiegt sogar nur ein Fünftel herkömmlicher Modelle. Hier besteht die Membran aus Zirkoniumphosphosilikat und wird zwischen geschmolzenes Natrium und Schwefel geschaltet.

Der Elektrokonzern ABB verabschiedet sich 1995 aus dem Rennen um eine neue Natrium/Schwefel-Batterie nachdem es bei Versuchsfahrten in den USA mit ABB-Akkus zu mehreren merkwürdigen Bränden gekommen ist.

Das Max-Planck­-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart untersucht seinerseits Lithium- und Lithiumnitrat-Zellen auf ihre prakti­sche Anwendbarkeit. Diese Batteriezellen haben beim glei­chen Gewicht wie herkömmliche Bleiakkumulatoren die 7-fache Energiespeicherkapazität, die Energiedichte liegt bei etwa 200 Wh/kg. Die Versuche sind vielversprechend, weil Lithium zum einen das leichteste uns bekannte Metall ist, und weil der feste Innenleiter zum anderen keine Auslaufgefahr birgt. Konzipiert werden diese Akkumulatoren hauptsäch­lich für die Mikrotechnik, doch eine verkehrstechnische Anwendung braucht deshalb nicht ausgeschlossen zu werden. Die US-Amerikanische Firma Panasonic Industrial Corp. entwickelt papierdünne Lithiumbatterien mit einer Dicke von nur 0,8 mm, welche aufgrund einer verhinderten Gasbildung auch nach 10 Jahren noch bis zu 95 % der ehemals eingespeicherten Energie enthalten sollen. Auch die Hannoveraner Varta Batterie AG und das US-Unternehmen Duracell International Inc. forschen gemeinsam an Lithium-Ionen-Batterien (LiIon). Den Auftrag für dieses 18 Mio. $ Projekt vergibt 1994 das United States Advanced Battery Consortium (USABC), dem Ford, Chrysler und GM angehören.

Mitsubishi arbeitet ebenfalls an Lithium-Ionen-Batterien, die dem firmeneigenen E-Mobil FTO-EV Ende 1999 zu einem Distanzrekord verhelfen: Der bis zu 130 km/h schnelle Prototyp legt innerhalb von 24 Stunden eine Strecke von 2.142 km zurück – wobei das Fahrer-Team jede Stunde eine 20-minütige Pause einlegt, um die Akkus wieder aufzuladen.

Bei der 1992 gegründeten Electro Energy Inc. aus Danbury in Connecticut fungiert das CIA-Unternehmen In-Q-Tel als Investor. Die Electro Energy Inc. stellt neben bipolaren Lithium-Ionen-Akkumulatoren für hohe Leistungen auch bipolare Nickel-Metallhydrid- Akkumulatoren her – sowie ‚Super’-Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, primär für Satellitensysteme, B-52- und B-1-Bomber sowie Cobra-Hubschrauber. Nun unterzeichnen In-Q-Tel und die SkyBuilt Power Inc. aus Arlington im US-Bundesstaat Virginia ein Übereinkommen für eine strategische Partnerschaft. SkyBuilt baut vorrangig für militärische Aufgaben Elektroenergie erzeugende Einheiten, die hauptsächlich mit Wind- und Solarenergie  gespeist werden können und mit einem Akkumulatoren-Backup-System ausgerüstet sind. Die auf Containern basierende Mobile Power Station (MPS) soll bis zu 150 kW bereitstellen, je nach Konfiguration Gleichstrom oder Wechselstrom, bei 12 – 240 V. Ein Diesel- oder Erdgasbetrieb, die Nutzung von Brennstoffzellen bzw. von Wasserkraft über Micro Hydro-Einheiten ist ebenfalls möglich. Ähnliche Systeme werden später auch für den zivilen Bereich entwickelt.

Schon sehr weit verbreitet sind die Nickel-Cadmium-Batterien, die aufgrund langjähriger Erfahrungen in der Industrie und beim Schienenverkehr in Schweden bis zur Marktreife entwickelt worden sind und inzwischen von vielen Herstellern produziert werden (Varta, Sonnenschein, SAB Nife, Oerlikon u.a.). Sie haben Energiedichten zwischen 40 und 55 Wh/kg und werden insbesondere für die Herstellung unterbrechungsfreier Stromversorgungsanlagen (USV) eingesetzt.

Toshiba stellt im März 2005 superschnell nachladbare Lithium-Ionen Batterien vor, die in nur einer Minute bereits zu 80 % geladen sind. Hier ist die negative Elektrode mit neuentwickelten Nano-Partikeln belegt, die große Mengen an Lithium-Ionen aufnehmen und speichern können, ohne daß es an der Elektrode zu einer Wirkungsreduktion kommt. Der Prototyp dieser laminierten Lithium-Ionen Batterie ist 3,8 mm dick, 62 mm lang und 35 mm breit, und hat eine Kapazität von 600 mAh. Nach 1.000 Zyklen trat ein Verlust von nur 1 % auf, und selbst bei Temperaturen von minus 40°C bietet der Akku noch 80 % seiner Leistung. Er soll bereits 2006 auf den Markt kommen. Andere Batterien mit NanoTechnologie behandle ich weiter unten.

Altair Nanotechnologies aus Reno, Nevada, will bis Ende 2006 eine neuentwickelte Lithium-Ionen-Batterietechnik in einen Elektrofahrzeug-Prototyp stecken, den man zusammen mit der kanadischen Firma Boshart Engineering plant. Die neuen Batterien verwenden eine stabile Struktur, bei der sich die Elektroden nicht ständig ausdehnen und zusammenziehen, wenn sich die spannungserzeugenden Ionen hinein- und hinausbewegen, was derzeit zum mehr oder minder frühem Ableben der konventionellen LiIon-Akkus führt. Außerdem wird mit Hilfe von Nanopartikeln an den Elektroden deren Fläche vergrößert, was den Ionen-Fluß beschleunigt. Hierdurch ergeben sich höhere Energiespitzenwerte und schnellere Ladeprozesse. Weitere neue Materialien verlängern die Lebensdauer und reduzieren die Kosten. Bis die Standards der Autohersteller erreicht sind, die unter anderem fordern, daß die Batterien mindestens zehn Jahre halten, wird es allerdings noch dauern.

Batterien sind auch deshalb so groß und so schwer, weil sie zur Hälfte aus Unterstützermaterialien bestehen, die gar nichts mit der Energiespeicherung zu tun haben. Forscher am MIT entwickeln 2006 daher genetisch veränderte Viren, die aktive Batteriekomponenten mit kompakter Struktur bilden können. Das Ziel sind ultradünne, transparente Batterieelektroden, mit denen sich dreimal mehr Energie speichern läßt als in heutigen Lithium-Ionen-Batterien. Es ist ein erster Schritt zu einem Energiespeicher mit hoher Kapazität, der sich quasi auch selbst zusammenbauen könnte. Möglich wären damit etwa Hochleistungsbatterien, die sich nahezu unsichtbar an Flachbildschirmen, Handys, Laptops oder Hörgeräten anbringen ließen. Die am MIT erstellten Viren könnten in Zukunft zudem zu effizienteren Katalysatoren und verbesserten Solarzellen führen.

Zum Einsatz kommen dabei so genannte M13-Viren, welche die positiven Elektroden einer LiIon-Batterie ausbilden können. Diese M13-Viren bestehen aus Proteinen, von denen sich die meisten so aufwickeln, daß sie einen langen, dünnen Zylinder bilden. Die Forscher ergänzten zusätzliche Nukleotid-Sequenzen zur Viren-DNA, mit denen die Proteine zur Bildung zusätzlicher Aminosäuren angeregt werden, die sich an Kobalt-Ionen binden können. Die Viren überziehen sich in einer Lösung automatisch mit diesen Kobalt-Ionen, was nach einer Reaktion mit Wasser zu Kobaltoxid führt. Dieses Kobaltoxid eignet sich wesentlich besser als Hochleistungsbatteriematerial, als die derzeit in LiIon-Batterien verwendeten kohlenstoffbasierten Materialien.

Die Viren-Elektroden zeigten bereits in dieser ersten Stufe eine zweimal so große Kapazität wie herkömmliche kohlenstoffbasierte Elektroden. Um diese Energieausbeute noch weiter zu steigern wird die Kobalt-Reaktion zwar beibehalten, zusätzlich aber ein weiterer DNS-Strang eingeführt, der Viren-Proteine herstellt, die sich an Gold binden. Daraus ergeben sich dann Nanodrähte, die sowohl aus Kobaltoxid als auch aus Goldpartikeln bestehen, was die Elektroden zu einer nochmals höheren Energieausbeute um 30 % anregt.

Es werden auch Schwefel/Lithium-Batterien entwickelt, die bei Betriebstemperaturen zwischen 375°C und 475°C arbeiten, die aufgrund der geforderten Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit aber entsprechend kostspielig sind.

Alkali/Mangan-Batterien wiederum sind deshalb besonders umstritten, weil durch sie jährlich noch immer mehrere Tonnen Quecksilber in Umlauf geraten.

Die Firma Ever Ready Ltd. arbeitet an der Weiterentwicklung einer Zink/Kohle-Batterie, welche klein, und während Fahrpausen auch regenerationsfähig ist. Ihre Leistung ist um 32,2 % besser als die der normalen Akkumulatoren, womit eine derartige Batterie etwa so stark ist wie eine immerhin doppelt so teure Alkali/Mangan-Batterie. Von der Firma Mazda stammt die quecksilberfreie ‚Green Power’– Batterie auf Zink/Kohle-Basis, bei der ein organischer, flourierter Inhibitor verwendet wird. Der Zinkbecher dieser Batterie besteht aus der bei Trockenelementen üblichen Blei-Kadmium-Zink-Legierung mit einem Kadmiumgehalt von 0,06 % und einem Bleigehalt von 0,2 – 0,3 %.

Neben den nur bei 0°C funktionierenden Zink/Chlor-Batterien sind ferner die Zink/Halogen- und die Zink/Brom–Batterien zu erwähnen, welche sowohl von Exxon, als auch von der Österreichischen Studiengesellschaft für Energiespeicher und Antriebssysteme (SEA) entwickelt werden, und die bei einer dreifachen Leistung nur ein Drittel der herkömmlichen Bleiakkumulatoren kosten. Ein Pkw hat damit bis zu 300 km Reichweite bei einer Geschwindigkeit zwischen 80 km/h und 110 km/h – außerdem sind bei diesen Batterien bis zu 1.500 Ladezyklen möglich. Die Zink-Brom-Variante arbeitet sogar bei normaler Umgebungstemperatur, ihre Elektroden sind aus elektrisch leitfähiger Polymerfolie gefertigt, die im Leistungs- und Gewichtsvergleich dreimal besser abschneidet als eine übliche Bleibatterie. Für die Entwicklung dieser Batterien wendet die SEA bis 1982 knapp 6 Mio. DM auf.

Anfang 1980 stellt die Firma Gulf & Western Industries in New York ein neues Zink/Chlorid-Batteriesystem vor, das in einen VW-Golf und einen japanischen Kleintransporter eingebaut wird. Der Personenwagen mit vier Insassen soll pro Batterieladung eine Reichweite von 300 km bei einer Geschwindigkeit von 90 km/h besitzen. Die Batterien müssen mindestens alle 6 Stunden wieder aufgeladen werden. Die Versuche er­geben einen weitgehend störungsfreien Betrieb über 300.000 km! Die grundlegende Problematik besteht bei dieser Batterieform in der Aggressivität des Chlorgases und seiner heftigen Reaktion mit Zink. Das Problem wird durch neue Ventile, Pumpen, Kühlelemente und einen elektronischen Regler ge­löst. Eine starke Startbeschleunigung kann allerdings nicht erreicht werden.

Eine möglicherweise grundlegende Neuorientierung bei der Idee, elektrischen Strom in Batterien zu speichern, entstammt dem kalifornischen Forschungsinstitut SRI International and Lawrence Berkeley Laboratories, wo 1995 ein mit 4 Mio. $ finanziertes Programm bekannt gegeben wird: Dabei soll statt dem Aufladen oder Austauschen von entladenen Akkumulatoren die verbrauchte Flüssigkeit von Zink/Sauerstoff-Batterien gegen frische (d.h. geladene) Elektrolyt-Substanz ausgetauscht werden! Das ‚Strom-Tanken’ würde dann nicht länger dauern als das bisherige Benzin-Zapfen – und nur etwa 10 % teurer sein. Ich hatte mich selbst schon seit Jahren gefragt, warum man nicht in dieser Richtung forschen würde – doch bis auf diese einzelne Meldung konnte ich auch bis heute, Ende 2006, diesbezüglich keine weiteren Neuigkeiten finden.

1993 beginnt die Firma ChemTEK auf Initiative des Badenwerks und der Stadtwerke Karlsruhe mit der Entwicklung einer neuartigen Zink/Luft-Batterie. Deren Prinzip war schon Thomas Edison bekannt, der bereits damals damit experimentiert hatte. 1997 wird das Ergebnis in Karlsruhe vorgestellt: Die sog. ZOXY-Batterie (Abkürzung für Zink-Oxygen) ist bei gleichem Energiegehalt um 80 % leichter als herkömmliche Bleiakkus, sie hat eine Energiedichte von 150 Wh/kg.

Ein Kleinbus-Testfahrzeug erreicht in den USA einen Reichweiterekord von 760 km – und dies bei Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt. Die Entwicklungskosten von 2,1 Mio. DM übernimmt zum größten Teil die Energiestiftung Baden-Württemberg. Die mit Kali-Lauge gefüllten ZOXY-Zellen sind so leicht, weil neben einer Zink-Annode Luftsauerstoff als Kathode benutzt wird. Problematisch wirkt sich bisher der Ladevorgang aus, bei dem sich auf der Zinkelektrode feine Zinknadeln bilden, die über kurz oder lang zu Kurzschlüssen führen. Die Batterie läßt sich bislang nur 10 mal elektrisch aufladen, bevor die Zinkelektroden regeneriert werden müssen.

Parallel zur ChemTEK arbeiten auch die Firmen Zenith Data Systems und AER Energy Ressources an kleinen  Zink/Luft-Batterien, die Laptops mit bis zu 20 Stunden Strom versorgen sollen. Als Preis werden 300 DM bis 400 DM genannt.

Die israelische Firma Electric Fuel Limited verzichtet aus den o.g. Gründen auf die elektrische Aufladung ihrer Zink/Luft-Batterien, die immerhin eine Energiedichte von 200 Wh/kg erreichen, statt dessen werden die oxidierten Zinkelektroden durch ein aufwendiges mechanisch-chemisches Verfahren regeneriert, um die Batterie wieder einsatzbereit zu machen. Allerdings taugt das System nur für Fuhrparks mit Werkstattanschluß, weil die Batterien nach Gebrauch komplett gewechselt werden müssen. Bei dieser Batterie oxidiert Zink in Kalilauge unter Einfluß von Sauerstoff zu Zinkoxid. Die dabei freigesetzte Energie wird in Strom umgewandelt.

Die Praktikabilität dieser Batterien wird ab Ende 1995 in einem Flottenversuch mit 64 Elektro-Fahrzeugen der Deutschen Post in Bremen erprobt. Das Zinkoxid aus den Batterien wird in einer von den Stadtwerken Bremen betriebenen Regenerationsanlage unter Einsatz von Energie elektrolytisch wieder zu Zink und kann erneut für Batterien verwendet werden. 1999 präsentiert auf der Hannover Messe auch das Schweizer Paul-Scherer-Institut eine ähnliche Zink/Luft-Batterie.

Aufgrund der seit 2003 wiederholt aufgetretenen Massen-Probleme mit explodierenden oder in Flammen aufgehenden LiIo-Akkus, die Anlaß für aufwendige und teure Rückrufaktionen sind, entwickelt die Zinc Matrix Power mit ihrer Silber/Zink Batterietechnologie eine sehr viel sicherere Lösung, die auf wässrigen Lösungen beruht und kein Lithium oder brennbare Flüssigkeiten enthält. Die neuen Batterien werden im Oktober 2006 präsentiert.

Eine große Chance auf Umsetzung und Anwendung im Straßenverkehr wird auch Natrium/Nickelchlorid-Batterien eingeräumt, die bei einer Betriebstemperatur von 300°C eine Energiedichte von 100 Wh/kg besitzen und 600 Ladezyklen erlauben – was bei einer Reichweite von 150 km pro Ladung einer Fahrtstrecke von 90.000 km entspricht. Ziel sind allerdings 1.000 Ladezyklen und eine Lebensdauer von 5 Jahren. 1994 beginnt bei der AEG in Berlin die Pilotfertigung der ‚ZEBRA’ Batterie, die ab 1993 von der AEG Anglo Batteries entwickelt wird, einem Gemeinschaftsunternehmen der AEG Daimler-Benz Industrie und der südkalifornischen Anglo American Corporation, die wiederum seit 1988 an diesem Projekt arbeitet. Man stellt 180.000 Einzelzellen her, aus denen 450 Batterien zusammengestellt werden, die unter anderem auch auf Rügen erprobt werden (s.u.). ZEBRA-Batterien werden 1997 auch bei einem Europa-Test mit deutschen und französischen Fahrzeugen eingesetzt.

Varta-Forschen entwickeln 1994 die kleinste Nickel/Hydrid-Knopfzelle der Welt, sie hat einen Durchmesser von einem Zentimeter und ist völlig Cadmiumfrei. Die Entwicklung erhält den Innovationspreis der Deutschen Wirtschaft. An größeren Nickel/Hydrid-Batterien arbeiten die Unternehmen GM Ovonics, eine Tochter des Autokonzerns, sowie Varta und der französische Batteriehersteller Saft.