Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB
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Skill and Scale up: Auf Spannung gebracht

Das Zeitalter der Elektrizität

Elektrische Spannung wird in Volt gemessen. Volt wie Volta. Mit der Voltasäule des italienischen Physikers Alessandro Volta fing um 1800 alles an. Der Urtyp der Batterie ist auf ihn zurückzuführen. Eine nicht unerhebliche Rolle spielten Froschschenkel. Heute ist er in der Elektrizitätsgeschichte so prominent, dass eine ganze Einheit nach ihm benannt wurde. Seine erste dauerhaft brauchbare Stromquelle ermöglichte erst die weitere Erforschung der Elektrizität. Höchste Zeit, um kurz in die Geschichte der Batterie einzutauchen, bevor wir auf unterschiedliche Konzepte für Energiespeicher eingehen. 

 

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Elektrizität war bis 1791 für die Menschen nur bei Gewittern sichtbar. Heute ist eine Welt ohne Strom nicht mehr vorstellbar.

Im Zeitalter der Aufklärung forschten viele zur Elektrizität – mehr oder weniger erfolgreich. Häufig konnten die Versuche nur zu Unterhaltungszwecken auf Jahrmärkten überzeugen. Deutlich mehr Aufmerksamkeit zog 1780 der italienische Arzt Luigi Galvani auf sich: Er brachte mit zwei verbundenen Metallstücken aus Eisen und Kupfer beim Kontakt mit dem Tier die Muskeln in den Froschschenkeln zum Zucken. Spektakulär – so hatte es auch die wissenschaftliche Welt gesehen und schloss auf eine »tierische Elektrizität«. Aber aus Voltas Sicht lag er ganz falsch. Vielmehr hat Galvani elektrochemisch die Elektrizität mit Hilfe zweier verschiedener Metalle erzeugt. 

Die erste Batterie wurde erfunden

Als Alessandro Volta 1791 von den Froschschenkel-Experimenten erfährt, führt er selbst Versuche durch und stellt fest: Das Salzwasser im Körper des Tieres hat einen Stromfluss zwischen den beiden Metallen erzeugt. Elektrizität entsteht also durch den Kontakt bestimmter Metalle. Auf Basis dieser Erkenntnisse konstruierte er die »Volta-Säule«: Zwischen dicht übereinander zu einer Säule gestapelte Kupfer- und Zinkplatten, legte er salzwassergetränkte Lederstücke. Durch chemische Reaktionen wird das Kupfer zum negativen und das Zink zum positiven Pol. Sind beide Enden verbunden, entsteht ein Stromfluss. Während jedoch die Einzelzellen noch relativ kleine Spannungen aufweisen, addieren sie sich zu einer Säule gestapelt, zu einer hohen Gesamtspannung. Mit der »Volta-Säule« hat Alessandro Volta die erste Batterie der Welt gebaut und damit das Tor zum Zeitalter der Elektrizität aufgestoßen. Erst durch diese Entdeckung einer dauerhaften Stromquelle konnte die Elektrizitätsforschung ermöglicht werden. 

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Aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften ist anzunehmen, dass Lithium auch in den kommenden Jahrzehnten noch eine unentbehrliche und nicht austauschbare Schlüsselkomponente für wiederaufladbare Batterien haben wird.

Das Tor zum Zeitalter der Elektrizität

Elektrizität war bis zu dem Zeitpunkt für die Menschen nur bei Gewittern sichtbar – in Form von Blitzen. Seitdem hat das Forschungsfeld einen rasanten Entwicklungsprozess durchlaufen, der von zahlreichen wegweisenden Erkenntnissen geprägt ist. Dazu haben insbesondere John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino beigetragen. Sie gelten als die »Väter der Lithium-Ionen-Batterie« und haben mit ihrer Forschungsarbeiten in den 1970 und 1980er Jahren eine technologische Revolution angeschoben. Seitdem hat sich die Lithium-Ionen-Batterie in ihren Grundzügen nur wenig verändert. Schrittweise Verbesserungen, auf Material- und Zelldesignebene, lassen sich verzeichnen. Optimierungen an der LIB sind allerdings auch nur schwierig zu etablieren, da vor allem die elektrochemische Stabilität und hohe Sicherheitsbedenken natürliche Grenzen setzen.

Vielfalt der Energiespeichersysteme

Moderne Energiespeichersysteme sind für eine Entlastung des Stromnetzes und zur Elektrifizierung von Industrie und Verkehr unersetzlich. Sie basieren auf vier grundlegend verschiedenen Ansätzen:

  • Elektrochemische Energiespeicher wie ein Lithium-Ionen-Akku oder ein Blei-Säure-Akku.
  • Chemische Energiespeicher, wobei zum Beispiel Strom in Wasserstoff umgewandelt und gespeichert und danach wieder in Strom umgewandelt wird.
  • Mechanische Energiespeicher, wie zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerke. Hierbei wird Wasser von einem tiefer gelegenen in ein höher gelegenes Speicherbecken gepumpt und Wasser erst auf Nachfrage wieder abgelassen, um über eine Turbine Strom zu erzeugen.
  • Thermische Energiespeicher, wie metallbasierte Hochtemperatur-Energiespeicher machen es möglich, dass Prozesswärme mit hohen Temperaturen gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung gestellt wird. 
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Energiespeicherung spielt eine wichtige Rolle bei der Erzeugung, Übertragung und Verteilung von Energie sowie im Zusammenhang mit dem Energieverbrauch.

Klar ist: Für eine klimaneutrale Zukunft und eine nachhaltige Stromversorgung braucht es auch vielfältige Energiespeicher. Die Lithium-Ionen-Batterie nimmt bei den elektrochemischen Energiespeichertechnologien bis heute eine führende Rolle ein, stößt jedoch bei zunehmender Speicherdauer oder der Notwendigkeit einer schnellen Energiebereitstellung an ihre Grenzen. Diese erfolgt heutzutage über Superkondensatoren, die zum Beispiel in elektrischen Bussen eingesetzt werden. Das Prinzip ist schnell erklärt: Bremst der Bus ab, wird über den Elektromotor Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt, mit dieser die Superkondensatoren aufgeladen und für ein erneutes Anfahren nach dem Stopp bereitgestellt. Der Prozess des Anfahrens ist bei schweren Fahrzeugen wie einem Bus deutlich energieintensiver als bei einem PKW und für Lithium-Ionen-Batterien somit schwere zu bewältigen. Da Superkondensatoren die Energie nicht elektrochemisch, sondern elektrisch speichern, sind die Lade- und Entladevorgänge deutlich schneller möglich.