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"Da ist der Nachteil, dass wir organische Lösemittel haben. Organische Lösemittel sind sehr reaktiv in Verbindung mit Lithium. Es könnte anfangen stark zu brennen wegen der organischen Flüssigkeiten."Flüssigelektrolyte ersetzen durch feste, pulverförmige Elektrolyte
Franziska Klein arbeitet am Helmholtz-Institut Ulm, eines von mehreren Batterieforschungszentren, die in den letzten Jahren in Deutschland gegründet wurden. Brennende Lithium-Akkus haben immer wieder für Schlagzeilen gesorgt, in Laptops, aber auch in Elektroautos. Deshalb wollen Klein und ihre Kollegen die brennbaren Flüssigelektrolyte durch weniger heikle Stoffe ersetzen – durch feste, pulverförmige Elektrolyte.

"Die haben sehr hohe Leitfähigkeit, also können sehr gut Lithium transferieren. Eine große Schwierigkeit dabei ist: Wenn man den Flüssigelektrolyt hat, der dringt einfach schnell überall ein. Bei dem Festelektrolyten hat man das Problem, dass man Grenzflächen hat, zum Beispiel zur festen Anode. Dadurch entstehen Widerstände, die überwunden werden müssen. Und das sind Herausforderungen."Die Forscher versuchen das Problem zu lösen, indem sie das Pulver fest mit den Elektroden verpressen, das vermindert den Widerstand. Oder sie experimentieren mit hauchdünnen Elektrolyt-Schichten, das senkt ebenfalls den Widerstand."Da ist man gerade auf einem guten Weg, viel zu verstehen. Ich denke, das wird für die Industrie interessant sein, gerade weil man die Sicherheit erhöhen kann. Die Sicherheit ist ein wichtiger Faktor gerade im Auto. Die wollen ihren Kunden nur Autos verkaufen, wo sie sagen können: Unsere Batterie ist sicher."

Und weil die Batterie durch den festen Elektrolyten sicherer würde, ließe sich das Speichermaterial auch dichter packen."Die Energiedichte kann dadurch erhöht werden. Die ist wichtig, denn je höher die Energiedichte, desto größer wird auch die Reichweite.""Jetzt wird es etwas lauter. Das liegt daran, dass wir mehrere Klimaanlagen haben, um die Temperatur möglichst gleichbleibend zu halten, um keine verfälschten Ergebnisse zu haben."Jede Zelle in einer sogenannten Klimakammer
Zurück in Münster. Hinter der Tür, die Peter Bieker gleich öffnet, steckt eine der Kernkomponenten des Instituts – ein Teststand. "In diesem Raum befinden sich 1200 Kanäle, um 1200 Batteriezellen gleichzeitig zu laden und zu entladen. Dann gehen wir mal rein."

"Wie Sie hören, haben wir hier ein sehr starkes Gebläse, das kommt von den ganzen Lüftungen. Jede Batteriezelle hat hier einen eigenen Kanal, deswegen haben wir hier die ganzen Kabel heraushängen. Jede Zelle ist in einer sogenannten Klimakammer bei einer festen Temperatur und wird dort zyklisiert."Zyklisieren – so nennen die Forscher es, wenn sie ihre Prototypen immer wieder laden und entladen – dutzende, hunderte, tausende Male nacheinander."Hier gibt's Zellen, die haben ihre 10.000-12.000 Zyklen durch und laufen immer noch." Das Ziel: Innerhalb von 20 Minuten soll eine Batterie auf 80 Prozent ihrer Maximalkapazität geladen werden, und zwar in einem Temperaturbereich von minus 40 bis plus 60 Grad. Die Nagelprobe für neue Prototypen, sagt Tobias Placke.

"Wenn man neue Materialien anschaut, sieht man relativ schnell, ob die sich stabil verhalten. Wenn die Kapazität relativ schnell abfällt nach wenigen Ladezyklen, sieht man, dass da irgendwas nicht stimmt, und man muss das Ganze verbessern.""Wir versuchen laufend, immer mehr Energie auf immer kleinerem Raum zu speichern. Hier verspricht die Lithium-Schwefel-Batterie Einiges: Theoretisch könnte sie die zehnfache Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus haben."Alberto Varzi, Batterieforscher am Helmholtz-Institut Ulm. Bei der Lithium-Schwefel-Batterie dient Schwefel als Pluspol. Der Unterschied zu den heutigen Akkus: Schwefel fungiert nicht als Hotel für die Lithium-Ionen. Stattdessen reagiert es chemisch mit dem Lithium. So lässt sich das Lithium viel dichter packen. Bildlich gesprochen brauchen die Lithium-Ionen keine Hotelzimmer mehr, sondern stehen dicht an dicht wie die Zuschauer in einem Stadion.

"Leider ist der Weg noch ziemlich lang. Ein Problem: Wir können keinen reinen Schwefel verwenden, das wäre instabil, sondern müssen ihn in ein Kohlenstoffgitter einpacken. Und das ist nicht ganz einfach. (OTon hoch) Eine weitere Schwierigkeit: Beim Laden und Entladen entstehen Zwischenprodukte, und die senken die Lebensdauer der Batterie."Immerhin: Zum Teil sind die Probleme gelöst, heute gibt es Labormuster mit einer Speicherkapazität anderthalb Mal so groß wie die eines Lithium-Ionen-Akkus – bezogen auf das Gewicht. Bezogen auf das Volumen verflüchtigt sich der Vorsprung aber gleich wieder: die Lithium-Schwefel-Batterie ist groß und nimmt viel Platz weg."Meiner Meinung nach dürfte es schwierig werden, die Technik bald in Elektroautos einzusetzen. Interessant könnte sie vor allem für Luft- und Raumfahrt sein, wo es weniger auf Platz ankommt als auf ein möglichst geringes Gewicht."

Große Erwartungen in die Lithium-Luft-Batterie
Ähnliches gilt für einen anderen Ansatz, in den die Fachwelt große Erwartungen setzte – die Lithium-Luft-Batterie. Hier besteht eine Elektrode aus Lithiummetall, die andere aus porösem Kohlenstoff, in den Sauerstoff geleitet wird. Theoretisch könnte die Energiedichte 20mal höher sein als bei Lithium-Ionen-Akkus. Aber den bisherigen Labormustern mangelt es unter anderem an Durchhaltevermögen. Schon nach wenigen Ladezyklen geben sie ihren Geist auf. Martin Winter:

"Metall-Luft halte ich ganz klar für ein Grundlagenthema. Absolut nicht absehbar, ob das eine Anwendung finden wird. Sehr viele Probleme: Nebenreaktionen überwiegen die eigentlich gewünschten Reaktionen. Meiner Meinung nach im Moment verfrüht zu sagen, dass das überhaupt kommt."Lithium-Schwefel und Lithium-Luft – sie wurden lange als vielversprechende Nachfolger der Lithium-Ionen-Batterie gehandelt. Doch wie es scheint, können beide die Erwartungen nicht wirklich erfüllen.Am MEET in Münster ist Tobias Placke ins Analyselabor gegangen. Ein Raum voller Hightech-Apparaturen, millionenschwer, mit komplexen Steuerpulten. Hier werden die Prototypen präzise unter die Lupe genommen.

"Da gibt’s verschiedenste Methoden, zum Beispiel ein Rasterelektronenmikroskop. Man nimmt die Elektroden nach dem Zyklisieren und kann sich die Oberfläche der Elektroden anschauen. Sind Alterungseffekte aufgetreten? Sind zum Beispiel Partikel auseinandergebrochen in der Elektrode? Daraus kann man Rückschlüsse ziehen, wie stabil das Material ist."Placke schaltet das Mikroskop ein und zeigt auf den Monitor. Die Nahaufnahme einer Elektrode, sie erinnert an einen stark zerklüfteten Schwamm."Man sieht sehr schön die Porosität. Hier sind einzelne Partikel, zwischendrin sind Poren. Das sind alles Sachen, die großen Einfluss haben auf die Performance in der Zelle."Durch die Poren kann der Elektrolyt tief in die Elektrode eindringen und den Lithium-Ionen den Weg ebnen bis in die hintersten Winkel. Dann dreht sich Placke um und zeigt auf einen speziellen Röntgenapparat. Der kann Batteriezellen quasi in Aktion durchleuchten. Was passiert in ihrem Inneren, wenn sie aufgeladen werden? Und was, wenn sie sich entladen?

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