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Schöner Traum

Technik. - Elektroautos leiden an einem ganz großen Nachteil: Ihre Batterien sind für die heute übliche Mobilität einfach nicht leistungsfähig genug. Unter den vielen alternativen Ansätzen zum derzeitigen Lithium-Ionen-Akku sticht diejenige heraus, die bei IBM in Kalifornien jetzt entwickelt werden soll: die Lithium-Luft-Batterie.

Von Maximilan Schönherr | 12.10.2009

"Es sollte möglich sein, eine Lithium-Luft-Batterie zu bauen, deren Energiedichte so gut ist wie ein Benzinmotor mit einem Tank voll Gas","

sagt Winfried Wilcke. Seiner Meinung nach machen Elektroautos flächendeckend nur dann Sinn, wenn sie ohne Nachladung so weit fahren können wie bisherige Autos. Und das geht, wenn überhaupt, nur mit einem neuen Batterietyp. Wilcke ist kein Phantast, sondern Grundlagenforscher. Er hat Kernphysik in Frankfurt am Main studiert, wurde später Architekt von Großrechnern bei IBM, stieg dann in die Nanotechnologie um und ist heute Leiter des Zukunftslabors für neue Batterietypen bei IBM in San José, Kalifornien. Für ihn ist ein Energiespeicher, der auf Lithium basiert und mit dem Sauerstoff aus der Luft reagiert, der "Mount Everest" der Batterien. Die Lithium-Luft- und nicht die jetzt geläufigen Lithium-Ionen-Akkus würden in der Lage sein, die Welt glücklicher zu machen.

""Wenn man Energiespeicherung gut hinbekommt, beispielsweise durch neue Batterien, dann hat es zwei enorme positive Konsequenzen. Erstens kann man den Verbrauch von Öl dramatisch reduzieren. Und zweitens kann man die erneuerbaren Energien praktisch verwenden, was man zurzeit nicht machen kann."

Der heute gängige Lithium-Ionen-Akku arbeitet mit Kohlenstoff, er ist relativ schwer, gibt seine Energie lieber schnell als langsam ab und kann bei hohen Temperaturen explodieren. Die Lithium-Luft-Batterie dagegen ist ein langsamer Brüter, sie ist sehr leicht, und der Reaktionspartner des Lithium-Metalls ist nicht Kohlenstoff, sondern der Sauerstoff aus der Luft. Auch Verbrennungsmotoren holen sich den Sauerstoff aus der Luft. Winfried Wilcke rechnet mit einer Energiedichte, die zehn Mal höher als die aktueller Lithium-Ionen-Batterien ist.

Die Lithium-Luft-Batterie wird so aufgebaut sein: Das Lithium der Anode verbindet sich über eine organische Elektrolyt-Flüssigkeit mit dem Sauerstoff von der Kathode. Bei dieser langsamen Verbrennung werden Elektronen frei, die man absaugen und damit zum Beispiel einen Motor antreiben kann. Um die Verbrennung zu beschleunigen, baut man die Kathoden so, dass sie zwar eine große Oberfläche haben, damit viele Reaktionen ablaufen können, andererseits aber darf die Kathode nicht verstopfen und muss stets offen für den Zufluss von neuem Sauerstoff sein. Solche Architekturen bekommt man laut Winfried Wilcke mit Nanotechnologie hin. Mit Nano-Membranen muss man zudem das Problem der Luftfeuchtigkeit lösen, denn Wasser in der Batterie wäre untragbar. Das größere Problem ist das Aufladen der leeren Batterie, denn das Lithiumperoxid gibt den Sauerstoff unter Stromzufuhr nicht gern ab. Wilcke:

"Diese chemische Reaktion ist langsam, sehr langsam. Und um die Batterien schnell genug aufladen zu können, muss man Katalysatoren einsetzen. Die Entwicklung der richtigen Katalysatoren wird eines der wichtigsten Probleme und Aufgaben dieses Forschungsprojektes sein."

Es ist nicht mehr nötig, eine sehr große Zahl von Katalysatoren im Labor mühsam zu untersuchen, sondern man kann das im Supercomputer modellieren und sich im Labor dann bloß auf die paar Katalysatoren zu konzentrieren, die im Modell im Supercomputer viel versprechend aussehen. Weil der Katalysator zur Beschleunigung des Aufladeprozesses noch nicht gefunden ist, kann Winfried Wilcke auch noch nichts über die Ladezyklen sagen. Mindestens 1000 Mal aber sollte die Batterie wieder aufladbar sein. Wenn ein Auto heute 1000-mal Benzin oder Diesel tankt, hat es eine halbe Million Kilometer zurückgelegt. Das dürfte also reichen.

Im Moment ist IBM in einer sogenannten "Deep Science"-Phase, betreibt also Grundlagenforschung. Wenn diese Phase in etwa drei Jahren abgeschlossen ist, wird entschieden, wie es weitergeht und ob man sich überhaupt auf die technische Umsetzung einlassen soll. Wilcke:

"Es bedeutet also, dass es unwahrscheinlich ist, dass man solche super-elektrischen Autos vor 2020 im Laden kaufen kann. Aber wenn man es dann wirklich kann, sind die Konsequenzen für die Erde so enorm, dass es sich sicherlich lohnt, darauf zu warten."