Technik

Wo kommt die Energie her? Die kuriosesten Ideen für Batterien

von
Sabrina Lieb

Energie für Handys, E-Autos oder E-Bikes: Für innovative Akkus greifen Forscher zu immer skurrileren Materialien – etwa Batterien aus Rhabarber oder Äpfeln.

Gelbe Batterien auf gelbem Grund.
Immer mehr Geräte verlangen leistungsstarke Batterien – aber wo kommt die Energie her? Foto: shutterstock/Yeti studio

Das erfahren Sie gleich:

  • Wie die Natur neue Akkus liefert – Rhabarbersaft, Äpfel und Zitteraale
  • Welchen Beitrag zu neuen Batterien Baumaterialien liefern können – Beton am Meeresgrund, Acrylglas und Kalk
  • Wie auch die Elektromobilität von innovativen Ideen profitiert

Die Energiewende, Elektromobilität und das Internet of Things (IOT) sind drei der Motoren, die Experten auf der Suche nach dem Akku der Zukunft antreibt. Die Anforderungen an die Superbatterie sind dabei hoch: So soll sie deutlich länger halten, sicherer sein, bezahlbar und vor allem ressourcenschonend. Hierfür greifen die Experten schon mal in die skurrilen Trickkisten: Batterien aus Rhabarbersaft, Hohlkugeln am Meeresgrund und Forschungen zu Magnesium-Schwefel-Zellen könnten in Zukunft zu spezialisierten Speichern heranwachsen.

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Einige davon haben bereits die ersten Machbarkeitstest bewältigt. Welcher Energiespeicher davon wohl den Weg in die Elektromobilität findet?

Batterien von der Natur inspiriert

Eine Batterie aus Rhabarbersaft

Unter Expertenkreisen werden sie bereits als die heimlichen Stars der Energiewende gehandelt. Die Rede ist von Redox-Flow-Batterien, die sich in nahezu jeder Größe bauen lassen. Sie speichern elektrischen Strom mit Hilfe von einer Flüssigkeit – dem Elektrolyten. Mehr Flüssigkeit bedeutet dabei auch mehr gespeicherte Energie, weshalb unterirdische Hohlräume schon bald in Tanks gigantischer Batterien verwandelt werden sollen.

Hemmschuhe hierbei sind derzeit aber noch die teuren Vanadiumsalze, die die Kosten für dieses Batteriesystem in die Höhe treiben. Auf der Suche nach Alternativen, wurde ein Forscherteam an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences schließlich bei Anthrachinonen fündig. In der Pflanzenmedizin werden die organischen Moleküle als Abführmittel eingesetzt, in Elektrolyten hingegen könnten sie die Rolle des Vanadiums übernehmen.

Der Vorteil:

Mit geschätzten 20 Euro pro Kilowattstunde verursacht das Material nur ein Drittel der sonst üblichen Kosten.

Der Nachteil:

Das Rhabarber-Chinin ist nicht so stabil wie die Vanadium-Metallsalze. Bislang konnten die Wissenschaftler lediglich 100 Ladezyklen ohne messbare Verschlechterung nachweisen. 10.000 Zyklen sind jedoch für eine kommerzielle Version notwendig.

Von der Schwerkraft zur Batterie: Der Apfel

Grundsätzlich wären Natrium-Ionen-Batterien eine günstige Alternative zu den gängigen Lithium-Ionen-Batterien. Wäre da nicht das Problem des noch fehlenden Anodenmaterials, das ein häufiges Wiederaufladen bei gleichbleibender Batterieleistung garantiert. Auch Graphit, wie es beispielsweise in Lithium-Batterien zum Einsatz kommt, konnte in Tests nicht überzeugen.

Fundstücke während eines Spaziergangs könnten möglicherweise die Weichen neu stellen: Bei einer Runde durch den Ulmer Donaupark hatte der Doktorand vom Helmholtz-Institut Ulm (HIU) Liming Wu vor einiger Zeit Äpfel vom Baum gepflückt und ins Labor für weitere Tests gebracht. Er trocknete die Apfelreste, behandelte sie mit Säure und verbrennte sie schließlich bei großer Hitze. Übrig blieb der im Apfel enthaltene Kohlenstoff.

Dieser weist eine besondere Mikrostruktur auf, denn anders als beim kristallartigen Graphit lagern sich hier Kohlenstoffschichten zu einem ungeordneten Stapel an. Die Lücken dazwischen bieten hingegen ausreichend Platz für relativ große Natriumionen. Die Wissenschaftler vereinfachten diesen Prozess noch einmal, indem sie bereits vorbehandelte Apfelreste aus der Lebensmittelindustrie als Rohstoff nutzten.

Vorausgesetzt, das Elektrodenmaterial ließe sich vollständig aus Abfallprodukten erzeugen, würde dies die Ökobilanz der Batterie noch einmal verbessern. Dabei muss es nicht einmal immer ein Apfel sein: Auch andere Grünabfälle wären geeignet, wie weitere Experimente an Maiskolben, Bananen-, Pomelo- oder Erdnussschalen zeigen konnten.

Power nach dem Zitteraal-Konzept

Wir alle wissen: Auch Tiere hantieren mit Strom und nutzen ihn, wenn sie ihn brauchen. So produziert der Zitteraal beispielsweise mit seinem Körper elektrische Ströme, die er speichert und bei der Jagd oder zur Verteidigung schlagartig abgibt. Forscher an der University of Michigan haben sich das Prinzip des Tieres einmal genauer angeschaut.

Beim Zitteraal erzeugen Muskelzellen durch den Transport elektrisch geladener Teilchen winzige Spannungsdifferenzen von gerade mal 150 Millivolt. Erst dann, wenn Tausende dieser Zellen gleichzeitig aktiv werden, entstehen nennenswerte Energieströme. Bei einem Nachbau setzten die Forscher ebenfalls auf kleine Einheiten, die schwache elektrische Spannung erzeugen. Dazu stellten sie verschiedene Gele aus biokompatiblem Polyacrylamid her, die jeweils unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufwiesen.

Platziert man diese beispielsweise auf zwei Trägerfolien und bringt diese miteinander in Kontakt, entsteht eine Spannung. Das Forscherteam hofft nun, mit derartigen Stromspeichern eines Tages kleine Schaltkreise antreiben zu können. Diese ließen sich dann als Sensoren in Kontaktlinsen einbauen oder aber in Herzschrittmachern als Stromquelle dienen. Bei letzteren könnten sich diese theoretisch mit Hilfe des menschlichen Stoffwechsels auch wieder selbst aufladen.

Akkus aus Baumaterialien

Stromspeicherung dank Hohlkugeln am Meeresgrund

Rückblick auf das Jahr 2017: Am stürmischen 28. Oktober toppten Deutschlands Windräder mit einer Produktion von 40 Gigawatt die Leistung aller Atomkraftwerke hierzulande – und zwar gleich um das Vierfache. Damit das Stromnetz nicht überlastet zusammenbricht, müssen bei derartigen Windbedingungen die Windräder jedoch noch oft abgeschaltet werden.

Eine Offshore-Windkraftanlage.
Bei Über- oder Unterproduktion benötigen Windanlagen leistungsstarke Speichermedien. Foto: Shutterstock / fokke baarssen

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel wollen hier ansetzen, indem sie die Energie von Offshore-Windanlagen mit Hilfe von hohlen Kugeln auf dem Meeresgrund noch vor Ort speichern. Grundlage hierfür ist das Prinzip der klassischen Pumspeicheranlagen: Ist überschüssige Energie vorhanden, pumpen sie die Kugeln in der Meerestiefe leer. Gibt es hingegen Strombedarf, soll das Wasser wieder einströmen und über Turbinen elektrischen Strom erzeugen.

Das Verfahren wurde bereits am Bodensee mit drei Betonhohlkugeln im Kleinformat getestet. Um wirtschaftlich zu sein, müssten die Hohlkugeln jedoch einen Durchmesser von mindestens 30 Meter aufweisen und in einer Meerestiefe von mindestens 500 Metern platziert werden. Mit diesem Verfahren ließen sich bis zu 20 Megawattstunden pro Kugel speichern.

Perspektivisch wäre dabei ein ganzer Speicherpark mit vielen Hohlkugeln ideal. In größeren Meerestiefen vor den Küsten Norwegens, Spaniens, Japans oder den USA platziert, könnte dieses Verfahren einen großen Beitrag zur Stromspeicherung leisten.

Acrylglas hilft bei Speichern von Strom

Unbegrenzte Lebensdauer für Akkus – ein Wunsch vieler Nutzer von Laptops, Smartphones und elektronischen Geräten. Das nötige Material dazu hat die Wissenschaftlerin May Le Thai mit ihren Kollegen von der University of California entdeckt. Hierzu überzogen die Wissenschaftler Nanodrähte mit dem Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA) – dem Hauptbestandteil des bekannten Acrylglas.

In Form eines zähen Gels, stabilisiert die Substanz ganz offensichtlich die dünnen Drähte. Denn mit PMMA überstanden die Akkus plötzlich bis zu 200.000 Ladezyklen. Die Forscher verwendeten dafür Goldnanodrähte mit einer Mangandioxidumhüllung. Handelsübliche Nanodrahtbatterien versagten den Dienst, unter anderem weil sich die beiden Materialen zu schnell voneinander lösten.

Auch sind bei diesem Batterietypus die hauchdünnen Drähte sehr zerbrechlich – nach rund 5000 bis 7000 Ladezyklen seien diese im Normalfall laut den Forschern "hinüber". Die neue Materialkombination hingegen ist dem weit überlegen, aktuell jedoch noch nicht kommerziell einsatzbereit.

Kalk als Speicher

Überschüssiger Strom lässt sich zwar in Form von Wärme speichern, jedoch ist es schwer, Heißes am Abkühlen zu hindern. Eine Lösung, wie sich Wärme auf unbegrenzte Zeit praktisch verlustfrei speichern lässt, kommt nun von Forschern des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums. Hierzu nutzten sie das chemische Verfahren von Kalziumhydroxid (Löschkalk).

Wird dieser auf Temperaturen um die 500 Grad Celsius erhitzt, zum Beispiel mit elektrischer Energie oder industrieller Abwärme, so trennt sich das darin gebundene Wasser ab und es entsteht Kalziumoxid (Branntkalk): der gesuchte Wärmespeicher. Versetzt man diesen nun mit Wasser, reagiert er wieder zu Löschkalt zurück und setzt die gespeicherte Energie in Form von großer Hitze frei.

Der Vorteil: Beide Materialien sind günstig, leicht im Transport und in der Baubranche seit Jahrtausenden vertraut.

Aber: Aktuell forschen die DLR-Wissenschaftler noch an einem Verfahren, mit dem sich die beiden Stoffe möglich effizient ineinander verwandeln lassen, ohne dabei die umgesetzte Wärme zu verschwenden.

Energie für die Elektromobilität

Weniger Brandgefahr im Elektroauto durch Festelektrolyte

Auch im Bereich der Elektromobilität arbeiten Experten am Super-Akku. Dabei stellt sich die Frage: Braucht es hierfür überhaupt eine Revolution oder reicht es aus, an der bisherigen Technik zu schrauben?

An letzterem arbeitet beispielsweise Franziska Klein vom Helmholtz-Institut in Ulm. Immer wieder sorgten brennende Lithium-Akkus in Laptops und Elektroautos für Schlagzeilen. Für Klein und ihre Kollegen ein Grund, die brennbaren Flüssigelektrolyte durch weniger heikle Stoffe zu ersetzen. In ihren Tests kamen daher feste, pulverförmige Elektrolyte zum Einsatz, die laut den Experten eine sehr hohe Leitfähigkeit haben und damit sehr gut Lithium transferieren können.

Der Nachteil:

Im Gegensatz zur Flüssigelektrolyten, die schnell und einfach eindringt, hat man bei den Festelektrolyten das Problem der Grenzflächen, zum Beispiel zur festen Anode. Diese Widerstände müssen erst überwunden werden. Die Forscher wollen das Problem lösen, indem sie das Pulver fest mit den Elektroden verpressen, wodurch sie den Widerstand vermindern wollen. Eine alternative Lösung wären auch hauchdünne Elektrolyt-Schichten, die ebenfalls den Widerstand reduzieren.

Nehmen mehr Elektrizität auf: Ionen von Magnesium

Im Vergleich zu den heutigen Lithium-Ionen-Batterien versprechen Natriumbatterien zwar Ressourcenvorteile, aber nicht unbedingt höhere Reichweiten beim Elektroauto. Deshalb suchen Fachleute wie Maximilian Fichtner (ebenfalls vom Helmholtz-Institut Ulm) weiter nach alternativen Systemen, die in großer Menge auf der Erde verfügbar sind. Beispielsweise Kalzium, Magnesium oder Aluminium.

In einem Verbundprojekt will Fichtner nun die weltweit ersten größeren Magnesium-Schwefel-Zellen herstellen.

Die Vorteile:

Sie versprechen – zumindest auf dem Papier – deutlich höhere Speicherkapazitäten. Anders als bei Lithium oder Natrium, können die Ionen des Magnesiums mehr Elektrizität aufnehmen. Der Grund liegt darin, dass sie nicht einfach, sondern doppelt geladen sind. Im Vergleich zur Lithium-Schwefel-Zelle ist das Speicherpotenzial deshalb wohl dreimal höher.

Schwefel gibt es laut Fichtner "praktisch zum Nulltarif", denn weltweit gibt es Millionen von Tonnen aus Entschwefelungsanlagen. Außerdem besteht die Hälfte der Dolomiten aus Magnesium und ist damit ebenfalls in großen Mengen verfügbar.

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Der Nachteil:

Beim Beladen muss immer noch deutlich mehr Spannung angelegt werden als man hinterher herausbekommt. Das heißt, dass es auch hier noch Widerstände in der Batterie gibt, die sich im Moment noch nicht eliminieren lassen.

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