Lithium-Luft-Batterien bieten der Reichweite von Verbrennungsmotoren Paroli

Luftige Träume

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Lithium-Ionen-Batterien gelten als die großen Hoffnungsträger der Elektromobilität. Visionäre bei der IBM sind allerdings schon einige Schritte weiter: Der Computergigant forscht an Lithium-Luft-Batterien und erhofft sich eine mindestens fünf- bis achtmal so hohe Energiedichte.

Der Autor Jürgen Goroncy ist freier Mitarbeiter der AutomobilKONSTRUKTION

So sehr die Lithium-Ionen-Batterie andere Batteriekonzepte auch hinter sich gelassen hat: Sie schleppt als großes Manko immer noch eine begrenzte Reichweite mit. Die aktuell etwa 150 km (im Normzyklus ohne Klimatisierung/Heizung und Licht) der ersten ernsthaften Se- rien-Elektromobile sind immer noch hoffnungslos den Reichweiten der Tanks mit Benzin oder Dieselkraftstoff unterlegen. Außerdem stören im Alltag die lange Ladezeit und die Angst der Autofahrer vor einem „Liegenbleiber“ fernab der nächsten Ladestation.
An diesem Punkt setzt das Denkmodell der IBM-Forscher an. „Gelänge es, eine Batterie mit etwa 500 Meilen, also rund 800 Kilometern Reichweite zu entwickeln, könnte man der Reichweite von Verbrennungsmotoren Paroli bieten und das zeitaufwändige Aufladen der Batterien weitgehend in die Nachtstunden verlagern“, gibt Dr. Winfried Wilcke, Leiter der Forschungsabteilungen Nanoscales Science & Technology bei IBM, zu bedenken. „Die Batterie müsste dann nicht unbedingt schnellladefähig sein. In den nachfragearmen Nachtstunden brächte das potenzielle Millionenheer der Elektromobile das Stromnetz auch nicht an die Kapazitätsgrenze.“
Die als Zielgröße festgelegten 800 km Reichweite würden bei den Lithium-Ionen-Batterien aber einen Energieinhalt von etwa 150 kWh erfordern. Da eine 50 kWh-Batterie derzeit aber etwa 500 kg schwer ist, würde eine Batterie mit 150 kWh hochgerechnet etwa 1,5 t wiegen. Utopisch.
Drei Alternativen untersucht
Die IBM-Forscher haben deshalb drei Batterie-Alternativen genauer unter die Lupe genommen: Zink-Luft-, Lithium-Schwefel- sowie Lithium-Luft-Batterien. Nach eingehenden Analysen ging die Lithium-Luft-Batterie aus dieser Betrachtung als Sieger hervor. Sie kann besonders hohe Energiemengen speichern – theoretisch bis zu 11 kWh pro kg Lithium. Das wäre fast so viel wie bei Dieselkraftstoff (etwa 12 kWh pro kg). In der Realität dürfte aber etwa eine Kilowattstunde pro Kilogramm realistisch sein, was im Vergleich zu den heute in Autos benutzen Lithium-Ionen-Akkus immer noch um den Faktor 10 mehr wäre. Im Bauraum einer aktuellen Lithium-Ionen-Batterie mit etwa 15 kWh wäre dann eventuell eine Batterie mit 150 kWh Energieinhalt darstellbar. Die enorme Steigerung der Energiedichte bei Lithium-Luft-Batterien beruht laut Wilcke nur zu einem kleineren Teil auf der Tatsache, dass der Reaktionspartner des Lithiums – nämlich Sauerstoff – nicht in der Batterie mitgeführt werden muss. Er wird – ähnlich wie beim Verbrennungsmotor – einfach aus der Umgebungsluft entnommen.
Zur Erklärung der chemischen Abläufe in einer Lithium-Luft-Batterie benutzt Wilcke gern den Vergleich mit zwei Parkhäusern. Im Parkhaus auf dem Berg (Anode) sind die Autos (Lithium-Ionen) auf hohem energetischem Niveau, sprich, die Batterie ist geladen. Rollen sie gemäß der Schwerkraft den Berg hinab zum Parkhaus im Tal (der Kathode), entspricht das der Abgabe von Energie, sprich, die Batterie wird entladen. Bei diesem Entladungsvorgang reagieren die Lithium-Ionen mit im Elektrolyt enthaltenem Sauerstoff. Bei der Batterie-Aufladung wird die Lithium-Sauerstoff-Verbindung wieder gelöst, die Lithium-Ionen lagern sich an der Anode an (die Autos fahren wieder in das Parkhaus auf dem Berg). Der abgegebene Sauerstoff wird wieder an die Außenluft abgegeben.
Anode und Katode senken die Masse
Das viel größere Gewichtseinsparungspoten- zial liegt aber in den Parkhäusern, sprich, der Anode und der Kathode. Sie bestehen in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien gleichsam aus schweren Materialien: die Anode aus Graphit, die Kathode aus Oxiden von Übergangsmetallen, etwa Kobalt-, Mangan oder Eisen. In der Lithium-Luft-Batterie sind diese Strukturen auf Anodenseite durch ein Lithium-Metallstück, an der Kathode durch leichte Nanostrukturen aus Kohlenstoff ersetzt – beide deutlich leichter. Auf diese Weise wäre eine Lithium-Luft-Batterie etwa nur ein Zehntel so schwer und würde als 150 kWh-Einheit nur noch etwa 150 kg wiegen.
Die oft geäußerte Behauptung, eine Lithium-Luft-Batterie sei nicht ladefähig, konnte IBM nach eigenen Angaben bei seinen Prototypen widerlegen. Wilcke: „Per Röntgen-Diffraktion, Raman-Analyse und direktem Nachweis von Sauerstoff-Entwicklung während der Aufladung konnten wir die Bildung des Lithiumperoxid bei der Aufladung klar nachweisen. Unser Batterie-Prototyp hat bisher 25 Ladezyklen ohne Veränderungen durchlaufen.“
Natürlich stehen auch die Forscher an der Lithium-Luft-Batterie noch vor einigen Aufgaben. Beispielsweise können beim galvanischen Prozess der Lithium-Reduzierung und folgenden Ablagerung auf dem Anoden-Metallstück Dendriten wachsen. Sie machen die Metallober- fläche rau, der höhere Fließwiderstand kann zur Hitzeentwicklung und eventuell sogar einem Brand führen. Wilcke hält diese Gefahr aber für sehr gering, da in der Batterie nicht genügend Sauerstoff für eine umfassende Reaktion des Lithiums zur Verfügung steht.
Eine weitere Herausforderung betrifft den Ladeprozess, der derzeit noch zu langsam abläuft. Um ihn zu beschleunigen, sucht IBM nach geeigneten Katalysatoren. Dennoch dürfte nach Meinung von Wilcke ein Akku mit diesem Energieinhalt in Zukunft nicht in wenigen Stunden aufzuladen sein. Aber wozu auch, bei seiner hohen Reichweite würde das Aufladen über Nacht völlig ausreichen.
Noch einige Probleme zu lösen
Kopfzerbrechen bereitet den Forschern auch noch die geringe Leistungsdichte der Lithium-Luft-Batterie. „Sie muss bis Serienreife noch wesentlich erhöht werden“, gibt Wilcke unumwunden zu. „Hier hat die Lithium-Ionen-Batterie die Nase vorn, sie kann in gleicher Zeit wesentlich mehr Energie abgeben, was bei Elektrofahrzeugen für dynamische Beschleunigungsvorgänge eine wichtige Rolle spielt.“
Seit 2009 treibt IBM die Entwicklung der Lithium-Luft-Batterie federführend mit einem Verbund aus weiteren Unternehmen, Hochschulen und US-Forschungslaboren voran, darunter ein großer europäischer Automobilhersteller, dessen Name auch auf Nachfrage nicht genannt wurde. IBM nutzt dabei seine Erfahrungen mit Halbleitertechnik, Nanostrukturen und Chemie. Beispielsweise hat man ein hochkomplexes „ab initio“-Simulationsmodell entwickelt, das die chemischen Prozesse auf Atomebene darstellt. Derzeit arbeiten an den IBM-Standorten Zürich und im kalifornischen Almaden etwa 20 Mitarbeiter an diesem Projekt.
Eine mögliche Serienreife sieht Wilcke frühestens um etwa 2020. Bis Ende 2013 will man wenigstens den Übergang von der Grundlagen- und Werkstoffforschung hin zur eigentlichen Entwicklungsarbeit schaffen. Danach soll zusammen mit dem Automobilpartner ein erster großer Batterien-Prototyp entstehen, der in einem Fahrzeug erprobt werden kann.
IBM; Telefon: 0211 476-1913; E-Mail: dagmar.domke.de.ibm.com

IBM: „Wir sind kein Batterieproduzent“
Für die Vermarktung einer vielleicht 2020 serienreifen Lithium-Luft-Batterie für Elektrofahrzeuge stehen laut IBM mehrere Wege offen. Fest stehe lediglich, dass IBM nicht als Batterieproduzent auftreten werde. Möglich sei hingegen die Zusammenarbeit mit Partnerfirmen bis zur Serienreife. Eine andere Möglichkeit wäre die Vergabe von Lizenzrechten. IBM ist mit diesem Prinzip vertraut und erwirtschaftet weltweit mehr als 1 Mrd. $ Umsatz mit Lizenzrechten. Beispielsweise hat IBM spezielle Herstellungsverfahren für die nur wenige Nanometer dünnen Leiterbahnen von Chips entwickelt, die von Chipherstellern in Lizenz genutzt werden.

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