Durchbruch bei Batterien: Alles leere Versprechen?

Firmen und Forscher machen mit revolutionären Akkus von sich reden. Wissenschaftler relativieren: Eine plötzliche Steigerung der Kapazität scheint unwahrscheinlich. Trotzdem wird auch in der Schweiz an neuen Batterien geforscht: für Smartphones, die Energiewende – und für die Ärmsten der Welt.

Kolonne von kleinen Robotern, angetrieben durch Batterien in der Brust

Bildlegende: Batterien – entscheidend für den Fortschritt: Die Speicher spielen eine wichtige Rolle bei der Energiewende, ermöglichen Elektrofahrzeuge und mobile Kommunikation. Reuters

In einer Welt, in der das Smartphone immer wichtiger wird, machen Nachrichten wie diese schnell die Runde: Ein Forscher der Universität Stanford stellt in einem YouTube-Video einen neuartigen Akku aus Aluminium vor. Der Speicher sei formbar, sicher und günstig. Zu alledem liesse sich der Akku auch noch in einer Minute laden. Viele möchten da nur noch wissen: Wann kommt diese Batterie auf den Markt?

«Ich vermute, in ein paar Jahrzehnten, wenn überhaupt. Vielleicht auch nie», meint Petr Novák, Leiter der Sektion Elektrochemische Energiespeicher am Paul Scherrer Institut in Villigen. Der Chemiker beschäftigt sich schon seit drei Jahrzehnten mit Batterien. Er weiss deshalb, dass solche Ankündigungen mit Vorsicht zu geniessen sind.

Oft geht es um die Selbstvermarktung von Wissenschaftlern, die auf Forschungsgelder angewiesen sind und die an ihrer persönlichen Karriere arbeiten. Der Wissenschaftsjournalist Seth Fletcher bringt es im renommierten Magazin «Scientific American» auf den Punkt: «Die Batterien-Industrie hat eine stolze, Jahrhunderte alte Tradition von grossen Versprechungen, die sie dann nicht einlösen kann.»

«  The battery industry has a proud, century-long tradition of overpromising and underdelivering.  »

Seth Fletcher
im «Scientific American»

Eine Ausnahme stellen die Lithiumionen-Batterien dar. Seit diese Anfang der 1990-er Jahre auf den Markt kam, konnten die Forscher die Kapazität jedes Jahr um etwa zehn Prozent steigern. Petr Novák hat diese Entwicklung verfolgt und ist positiv überrascht: eine unglaubliche Leistung, findet der Wissenschaftler anerkennend.

Abgrund zwischen Labor und Fabrik

Dass sich so ein Erfolg mit einer ganz neuen Technologie wie der Aluminium-Batterie aus Stanford in den nächsten Jahren wiederholen könnte, sei aber ziemlich unwahrscheinlich, meint Novák. Der Grund: Der Schritt aus dem Labor auf den Markt ist riesig, ebenso wie die Probleme, die es auf dem Weg dahin zu lösen gilt.

Die Erwartungen, die ein Produkt erfüllen muss, sind gross: Ein Akku muss sicher und umweltverträglich sein, er sollte seine Eigenschaften auch nach Hunderten von Ladezyklen nicht verändern. Und das alles muss auch noch erschwinglich sein. An neue Technologien werden hohe Anforderungen gestellt.

Einen Durchbruch über Nacht hält deshalb auch Pierre Blanc vom Schweizer Batterienhersteller Leclanché für sehr unwahrscheinlich: «Die Batterien-Industrie existiert seit etwa 150 Jahren. In dieser Zeit gab es nie eine Revolution.» Die Entwicklung sei immer in kleinen Schritten vorangegangen, so der technische Leiter. Die neue Super-Batterie lässt also auf sich warten – sehr zum Leidwesen von Smartphone-Besitzerinnen und Laptop-Nutzern.

Batterien werden immer wichtiger

Und nicht nur die sind betroffen, denn Batterien spielen noch auf anderen Gebieten eine wichtige Rolle. Jennifer Rupp, Professorin an der ETH und Leiterin des Instituts für elektrochemische Materialien, nennt weitere zentrale Anwendungen von Batterien: als stationäre Speicher für erneuerbare Energien und als Akku in Hybrid- und Elektro-Fahrzeugen. Dafür sind Batterien mit hohen Kapazitäten besonders gefragt.

Wo die Speichergrenze für Akkus liegt, lasse sich relativ einfach berechnen, meint Novák. «Theoretisch kann man in einer Batterie von einem Kilogramm Gewicht etwa 6000 Wattstunden speichern.» Doch in der Realität muss man drastische Abstriche machen: Chemische Reaktionen laufen in Batterien kaum vollständig ab, Batterien brauchen Verpackungen und Sicherheitsvorkehrungen. «In der Praxis sind Energiedichten zwischen 1000 und 2000 Wattstunden realistisch», so der Wissenschaftler.

Allerdings ist man auch von diesem Ziel noch weit entfernt. Die besten Akkus, die man heute kaufen kann, können rund 300 Wattstunden pro Kilogramm speichern. Akkus haben also durchaus noch Potenzial. Wird dieses ausgeschöpft, könnte in Zukunft mein Smartphone drei bis sieben Mal länger halten.

Die Bombe entschärfen

Durchaus realistische Annahmen, findet auch Jennifer Rupp: «Die neuste Forschung deutet darauf hin, dass solche Kapazitäten erreichbar sind.» Die 35-Jährige forscht mit ihrem Team an einer neuartigen Lithium-Batterie mit höheren Kapazitäten. Unterstützung erhält Rupp dabei von Petr Novák und Forschern der EMPA. Der Ansatz: ein Akku, der ohne Flüssigkeit auskommt, eine sogenannte «Solid State»-Batterie. Der Vorteil: höhere Kapazitäten und mehr Sicherheit.

Die Zeiten, in denen Akkus in Brand geraten oder gar explodieren, wären somit endgültig vorbei. Damit entfallen auch aufwendige Sicherheitsvorkehrungen, was die Speicher kleiner und günstiger macht – ein grosser Vorteil für Akkus in Elektrofahrzeugen und elektronischen Geräten.

Batterien retten Leben

«Ein wichtiger Anwendungsbereich von Batterien geht bei uns meistens vergessen», sagt Jennifer Rupp: die Stromversorgung für Haushalte in Entwicklungsländern. «In Asien haben 30 Prozent der Bevölkerung keinen permanenten Zugang zu Strom, in Afrika sind es 70 Prozent», führt die Wissenschaftlerin weiter aus. Für Kranke wie etwa Diabetiker ist das lebensbedrohend, da sie keine Möglichkeit haben, ihre Medikamente kühl zu lagern.

Der jungen Wissenschaftlerin ist es ein wichtiges Anliegen, für diese Menschen eine Lösung zu finden. Keine einfache Aufgabe, denn einerseits sollte die Batterie Materialien verwenden, die in den betroffenen Gebieten verfügbar sind, gleichzeitig darf sie aber nichts kosten. Neben der Weiterentwicklung der Lithiumionen-Batterie will Rupp rund fünf Jahre in die Erforschung eines Stromspeichers für einen Vier-Personen-Haushalt investieren.

So könnte Technologie aus der Schweiz die Welt schon bald massgeblich beeinflussen: mit neuartigen «Solid State»-Batterien für die Energiewende, Elektrofahrzeuge oder portable Geräte und mit einer Lösung für Menschen, die von der Stromversorgung abgeschnitten sind. Wann die Batterie kommt, mit der mein Smartphone ein paar Stunden länger läuft, scheint da plötzlich nicht mehr ganz so wichtig.