Missing Link: Lithium-Ionen-Batterien – Ein Fundament der digitalen Ära

Lithium-Ionen-Batterien sind eine wissenschaftliche Meisterleistung und die Messlatte für zukünftige Batterietechnik. So schnell werden sie nicht abgelöst.

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(Bild: Lightboxx/Shutterstock.com)

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Dieser Artikel wurde zuerst abgedruckt im Physik Journal 12, 2019.

"Missing Link"

Was fehlt: In der rapiden Technikwelt häufig die Zeit, die vielen News und Hintergründe neu zu sortieren. Am Wochenende wollen wir sie uns nehmen, die Seitenwege abseits des Aktuellen verfolgen, andere Blickwinkel probieren und Zwischentöne hörbar machen.

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Die Entwicklung leistungsfähiger elektrochemischer Energiespeicher – sprich Batterien – ist ein entscheidender Baustein für das Entstehen einer vernetzten, mobilen und nachhaltigen Gesellschaft. Der Chemie-Nobelpreis 2019 für Akira Yoshino, M. Stanley Whittingham und John B. Goodenough, die wesentlich zur Realisierung von Lithium-Ionen-Batterien beigetragen haben, würdigt die hohe Bedeutung dieser Technik.

Die bahnbrechenden Arbeiten der Chemie-Nobelpreisträger und vieler weiterer Forscher über die vergangenen Jahrzehnte haben die Grundlagen für Batterien (Gemäß der internationalen Begrifflichkeit wird hier von "Batterien" gesprochen, auch wenn der Begriff "Akku" als wiederaufladbare Batterie lange üblich war. Zudem unterscheiden wir hier nicht zwischen einer Batterie und einer Batteriezelle.) gelegt, ohne die Smartphones, Tablets oder batterie-elektrische Fahrzeuge in ihrer heutigen Form nicht denkbar wären. Die Entwickler der Lithium-Ionen-Batterie haben damit unsere Gesellschaft nachhaltig verändert.

Leistungsfähige Batterien haben sich als ein strategisch wichtiger Baustein für die globale und nationale wirtschaftliche Entwicklung herausgestellt. Noch vor etwa zehn Jahren trieb hauptsächlich die Verbreitung tragbarer Elektronik und Kommunikation die Weiterentwicklung an. Diese wurde daher mit Nachdruck in Asien verfolgt, während das Thema in Europa stark vernachlässigt oder sogar belächelt wurde. Inzwischen besteht ein genereller gesellschaftlicher Konsens, welcher der Batterie eine zentrale Rolle in der Dekarbonisierung der Energieversorgung sowie in der lokal emissionsfreien Mobilität zuweist.

Zudem sind Batterien dringend nötig, um zeitliche Inkompatibilitäten in der Sektorenkopplung zu puffern. Die zeitlich flexible Ladung und Entladung von Fahrzeugbatterien gemäß der Verfügbarkeit regenerativ erzeugter Energie ist ein Beispiel für die Kopplung der Sektoren "Energie" und "Verkehr". Dabei sind die Fahrzeuge selbst integraler Bestandteil einer dezentralen und schwankenden Energieerzeugung.

Die Autoren

Egbert Figgemeier leitet die Arbeitsgruppe für Alterung und Lebensdauerprognosen von Batterien am FZ Jülich und ist Professor an der RWTH Aachen. Er hat vorher zehn Jahre in der chemischen Industrie Materialien für Batterien, Brennstoff- und Solarzellen entwickelt.

Moritz Teuber hat Materialwissenschaften studiert und über die Alterung von Doppelschichtkondensatoren promoviert. Er arbeitet an der RWTH Aachen als Gruppenleiter unter Egbert Figgemeier und Dirk Uwe Sauer.

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Der dringende Bedarf einer Technik (Technology-Pull) ist stets begleitet durch entsprechende technische Durchbrüche (Technology-Push). Ein Beispiel ist die Lithium-Ionen-Technik, bei der ein unerwartet starker Preisverfall aufgetreten ist: Innerhalb von weniger als zehn Jahren hat sich der Preis für Lithium-Ionen-Batterien von über 1000 €/kWh auf deutlich weniger als 150 €/kWh verringert. Die plötzliche Verfügbarkeit von Batterien mit hoher Leistungs- und Energiedichte hat die erfolgreiche Einführung mobiler elektrischer Anwendungen (Autos, Nutzfahrzeuge, kabellose Werkzeuge, Pedelecs usw.) in den vergangenen Jahren stark befeuert. Dadurch ist der Batteriemarkt förmlich explodiert und wird über viele weitere Jahre zweistellige Wachstumsraten aufweisen.

Motiviert durch den Bedarf an noch höherwertigen Batterien bei geringeren Kosten ist eine lebhafte Forschungs- und Entwicklungslandschaft entstanden, die durch die massive öffentliche Forschungsförderung angetrieben wird. In der Folge ist die Zahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen in den vergangenen 10 bis 15 Jahren nahezu exponentiell gewachsen.

Sehr häufig entscheiden die Kosten über eine Batterietechnik. Aus diesem Grund sind Blei-Säure-Batterien immer noch stark in ihren angestammten Märkten (z. B. die unterbrechungsfreie Stromversorgung oder die Starterbatterie in Autos) vertreten, obwohl Lithium-Ionen-Zellen ihnen technisch überlegen sind.

Die aktuelle Technologie (rot) muss viele Anforderungen erfüllen, die idealerweise alle gleichzeitig optimiert werden (blau). In der Realität beschränkt sich die Weiterentwicklung meist auf einzelne Aspekte einer Batterie (gestrichelt).

(Bild: Physik-Journal)

Ob sich eine Batterie eignet, hängt von ihrer Zielanwendung ab. In der Regel gilt es, verschiedene Eigenschaften wie Sicherheit, Kosten, Leistung, Energie, Lebensdauer oder Zuverlässigkeit abhängig von den Anforderungen parallel zu betrachten. Bei einer Fahrzeugbatterie sind beispielsweise die typischen Anforderungen in puncto Kosten noch recht weit von der realistischen Entwicklung entfernt. Eine solche Multiparameteroptimierung ist mitunter sehr komplex und wird in der öffentlichen Diskussion sehr unpräzise geführt. In der Betrachtung innovativer Batterietechnik ist es häufig üblich, nur auf eine einzelne verbesserte Eigenschaft zu verweisen.

Bei den zentralen Leistungsparametern eingängiger Speichertechnik ist es wichtig, Energiedichte und spezifische Energie zu unterscheiden: Denn neue Materialien mit hoher spezifischer Energie (Wh/kg), aber geringen Dichten (kg/l) lassen sich mitunter nicht in Batterien mit hohen Energiedichten (Wh/l) überführen. Zum Beispiel hat Graphit als typisches Anodenmaterial eine Dichte deutlich größer als 2 kg/l, Silizium-Nanopulver dagegen von wesentlich kleiner als 1 kg/l. Daher relativiert sich der Vorteil der hohen spezifischen Kapazität von Nanopulver.

Parameter verschiedener Speichertechnologien
Batterietyp Energiedichte in Wh/l Spezifische Leistung in W/kg Spezifische Energie in Wh/kg Energieeffizienz in % Ladungseffizienz in %
LiB 500 < 10000 250 > 95 > 99,99
Blei-Säure 50 100 25 87 85
NiMH 90 1400 50 70 95
Kondensatoren 10 110000 7 > 98 > 99
Die verschiedenen kommerziellen Speichertechnologien besitzen unterschiedliche Parameter, die hier angegeben sind für Batteriezellen. Bei einzelnen Parametern handelt es sich um mittlere Werte.

Der Zusammenhang schränkt die Brauchbarkeit vieler Nanopulver in Volumen-beschränkten Anwendungen stark ein, also in tragbaren elektronischen Geräten und häufig auch in Fahrzeugen. Die Vermischung dieser Begrifflichkeiten führt immer wieder zu falschen Erwartungen und zu einer erschwerten technischen Beurteilung von wissenschaftlichen Ergebnissen innovativer Materialien.

Neben Energie und Energiedichte ist die Leistung bezogen auf Volumen oder Gewicht eine zentrale Eigenschaft einer Batterie. Auch hier gilt es, zwischen Volumen und Masse zu differenzieren. Gleichzeitig hängt die Leistung bei allen Batterietypen vom Ladezustand ab und kann daher stark variieren. Zum Beispiel zeichnen sich Blei-Säure-Batterien durch die kurzfristige Verfügbarkeit hoher Ströme beim Startvorgang eines Verbrennungsmotors aus, während Lithium-Ionen-Batterien über weite Ladezustände dauerhaft hohe Leistungen abrufen können.

Eine andere weniger beachtete Charakteristik von Batterien ist ihre Ladungs- und Energieeffizienz. Erstere ist das Verhältnis der gespeicherten elektrischen Ladungen zu den bei der Entladung verfügbaren Ladungen. Im Idealfall ist dieser Wert gleich 1, während kleinere Werte auf chemische Nebenreaktionen der Ladungsträger hinweisen. Die Energieeffizienz beschreibt die Verluste bei einem Lade-Entlade-Zyklus und entscheidet über die Energiebilanz in der Anwendung. Zum Beispiel kann der schlechte Wirkungsgrad von Blei-Säure-Batterien dazu führen, dass die Anwendung als Speicher kombiniert mit einer Photovoltaikanlage nicht mehr wirtschaftlich ist.

Auch die Sicherheit, Betriebstemperatur, der Wartungsbedarf oder die Lebensdauer spielen bei der Wahl eines geeigneten Energiespeichers für die Anwendung eine wichtige Rolle. Bei der Lebensdauer wird zwischen kalendarischer und zyklischer Alterung unterschieden, wobei erstere die Degradation ohne das Beaufschlagen von Strom beschreibt und zweitere die Abhängigkeit von der Batterienutzung.