Anmelden

Energiespeicher – Elektrisch

 

Quelle: Achmed A. W. Khammas (Buch der Synergie)

Geschichte der elektrischen Energiespeicherung

Es ist noch immer so gut wie unbekannt, daß die elektrische Batterie schon mehrere tausend Jahre alt ist. Deshalb möchte ich hier etwas detaillierter darüber berichten.

Wilhelm König, ein österreichischer Archäologe, der mehrere Jahre lang für das Irakische Museum als Direktor der Antikenverwaltung in Bagdad tätig war, entdeckt 1936 am Hügel Khujat Rabu’a, südöstlich von Bagdad, einen seltsamen Gegenstand, den er zunächst für ein Kultobjekt der Parther hält, jenem euroasiatischen Reitervolk, das sich um 250 v. Chr. am Ostufer des Kaspischen Meeres niederließ. König beschreibt seinen Fund 1938 in der wissenschaftlichen Zeitschrift ‚Forschungen und Fortschritte’ mit der Überschrift: „Ein galvanisches Element aus der Partherzeit?“

Das Element sieht aus wie ein ‚vasenartiges Gefäß’ aus hellgelbem Ton, in dem mittels Bitumen oder Asphalt ein Kupferzylinder befestigt ist. Die Höhe der ‚Terrakottavase’ beträgt 18 cm. Der Zylinder, dessen eine Öffnung durch eine mittels Bitumen fixierte Kupferscheibe verschlossen ist, besitzt eine Höhe von 12,5 cm und einen Durchmesser von 3,75 cm. Im Inneren des Kupferzylinders steckt ein vollständig korrodiertes Eisenstäbchen, dessen oberes Ende etwa einen Zentimeter über den Gefäßrand ragt. Es ist von einer gelbgrauen Korrosionsschicht überzogen, was auf die Wirkung eines bleiartigen Elektrolyten zurückgeführt werden kann. Das Eisenstäbchen wird durch einen Asphaltstöpsel am Herausfallen gehindert, wie auf der französischsprachigen Darstellung zu sehen ist.

Bagdad-Batterie Funktionsskizze

Bagdad-Batterie
Funktionsskizze

Später erfährt König von einem Berliner Kollegen, daß deutsche Wissenschaftler bei Grabungsarbeiten in der Nähe von Ktesiphon bei Bagdad ähnliche Artefakte entdeckt hatten, ebenso in Seleukia. Königs Interesse ist geweckt. Ihn fasziniert die unorthodoxe Idee, es könne sich bei all diesen Funden um die Überreste von Trockenbatterien handeln. Sofort macht er sich ans Experimentieren. Nach Einfüllen eines neuen Elektrolyten – er benutzt Kupfersulfat – funktionierten einige der ihm zur Verfügung gestellten Batterien einwandfrei. Sie geben Spannungen von l,5 – 2 Volt ab. Der Beweis ist erbracht. In seinem Grabungsbericht kann König daher erklären, daß die vermeintlichen ‚Kultgegenstände’ in Wirklichkeit galvanische Elemente (Trockenbatterien) sind. Trotzdem bleibt die These Königs über Jahrzehnte tabu. Und noch heute steht in keinem Schulbuch etwas darüber…

Das irakische Informationsministerium beendet schließlich den jahrelangen Streit um die Echtheit der Funde mit folgender offizieller Verlautbarung: „lm Jahre 1936 wurde im Gebiet von Rabu’a, östlich von Bagdad, eine Batterie gefunden, die aus der Zeit von 227 bis 126 v. Chr. stammt. Die Batterie wird im Irakischen Museum von Bagdad ausgestellt, und sie gilt als älteste Trockenbatterie, die bisher gefunden worden ist.“

1960 experimentiert John B. Pierczynski an der Universität von North Carolina mit einem Duplikat dieser Batterie und erhält 18 Tage lang eine elektrische Spannung von 1,5 V. Im Herbst 1978 wird von Dr. Arne Eggebrecht, Direktor des Roemer-Pelizaeus-Museum Hildesheim, und dem Restaurator Rolf Schulte ein weiterer Nachbau präsentiert, bei dem man als Batterie-Flüssigkeit frisch gepreßten Traubensaft verwendet – den es unzweifelhaft schon damals gab. Die Meßinstrumente zeigen sofort 0,5 V an. Es gelingt sogar, mit dem Strom die silberne Replik einer Königsstatue aus dem Parther-Reich zu vergolden – in nur zweieinhalb Stunden!

Inzwischen haben sich bei mir auch umfassende Informationen darüber angesammelt, die auf den Gebrauch elektrischen Lichts bei den alten Ägyptern (s. Reliefs von Dandera) und möglicherweise sogar elektrischer Motoren durch die Maya hinweisen – aber das würde uns jetzt zu weit vom eigentlichen Thema der Energiespeicherung wegführen.

Daher zurück zur aktuelleren Geschichte – oder korrekt: zu der Version der Geschichte, wie sie derzeit noch immer publiziert wird:

Unabhängig voneinander wird 1745/1746 von dem niederländischen Physiker Pieter van Musschenbroek (1692 – 1761) an der Universität Leiden, und von dem Domdechanten Ewald Jürgen Georg von Kleist (1700 – 1748) aus Cammin, Pommern, der Kondensator entwickelt. Diese ‚Leidener Flasche’ genannte Konstruktion ist außen mit Zinn beschichtet und innen mit Gold ausgekleidet, spätere Modelle waren innen und außen mit Stanniol belegten Glasbecher.

Der italienische Physiologe und Physiker Luigi Galvani (1737 – 1798) experimentiert 1786 mit der Stromerzeugung durch ein System von Eisen/Kupfer-Elektroden und organischen Elektrolyten.

1796 interpretiert der italienische Edelmann und Physiker Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Conte di Volta die Versuche von Galvani richtig und bastelt mit den Münzen verschiedener Länder die erste ‚Voltaische Säule’. Abwechselnd Kupfer, Messing, Silber, Zink oder Zinn, getrennt durch kleine Tücher, die mit verdünnter Kochsalzlösung oder Schwefelsäure benetzt werden – und fertig ist die erste Batterie der (westlichen) Weltgeschichte. Sie erbringt um 1800 immerhin 25 Volt – wie die Einheit in Erinnerung an ihren Erfinder weiterhin genannt wird.

Rittersche Säule

Rittersche Säule

1802 entwickelt Johann Wilhelm Ritter, der mit Goethe auf dem Gebiet der Naturwissenschaften zusammenarbeitet, eine eigene Batterie, die sogenannte Rittersche Säule. Die Säule besteht aus übereinandergeschichteten und mit Tafelsalz (Natriumchlorid) getränkten Kupfer- und Kartonscheiben. Diese Vorrichtung kann mit einem elektrischen Strom geladen werden und gibt bei der Entladung Strom ab. Sie gilt als Urform des Akkumulators.

1812 entwickelt Giuseppe Zamboni (1776 – 1846) eine Hochspannungsbatterie aus bis zu 4.000 galvanischen Zellen, auf Basis des Elements Silber/Salzlösung/Magnesiumoxid/Silber. 1836 folgt John Frederic Daniell (1790 – 1845) mit einem weiteren Element aus Zn/ZnSO4/CuSO4/Cu, das als erste zuverlässige Stromquelle betrachtet und vor allem in britische und amerikanische Telegrafenanlagen eingebaut wird, da es die einzig verfügbare Batterie mit geringer Selbstentladung ist. Und 1839 oder 1840 entwickelt Sir William Robert Grove (1811 – 1896) dann das Zn/H2SO4/HNO3/Pt – Element.

Die ersten Versuche, einen auf Blei basierenden Akkumulator zu entwickeln, werden Mitte des 19. Jahrhunderts von dem deutschem Arzt Josef Sinsteden gemacht. Er stellt zwei große Bleiplatten in ein Gefäß mit verdünnter Schwefelsäure. Durch Laden des Akkus entsteht an einer der Platten Bleidioxid [Blei(IV)-oxid] und an der anderen Blei.

Frühe Batterien aus Steel's Fourteen Weeks in Physics, 1878

Frühe Batterien (1878)

Der französische Physiker Gaston Planté erfindet 1859 die wiederaufladbare Bleibatterie, und Henri Tudor aus Luxemburg gibt ihr 1881 die noch heute übliche Kastenform. Als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure. Die negative Elektrode besteht aus Blei, die positive aus Bleidioxid. Die Einführung dieser Alkali-Batterie erfolgt bereits im Jahre 1860, also nur ein Jahr nach ihrer Erfindung. 1865 erfindet der ebenfalls französische Chemiker Georges Leclanché das dann auch nach ihm benannte Kohle/Braunstein/Zink – Element. 1875 wird die MnO2 – Trockenzelle entwickelt.

Seit 1874, als W. D. Snow das U.S. Patent 155209, oder 1875, als James C. Bryan das U.S. Patent 160152  für ihre Versionen einer ‚Earth Battery’ erhalten, beschäftigen sich kontinuierlich Erfinder mit dieser Technologie. In Löcher im Boden wird eine ionenhaltige Flüssigkeit gekippt, die als Elektrolyt wirkt, in die eine der Elektroden getaucht wird, während die andere mit der Eroberfläche verbunden ist. Eine technische Umsetzung der Erd-Batterien in unserer Zeit ist mir nicht bekannt.

Ab 1876 wird die Pariser Oper mit dem Strom aus ‚Galvanischen Elementen’ beleuchtet. Industriell wird der Bleiakku interessant, als Emile Alphonse Faure um 1880 ein Verfahren entwickelt, bei dem der Bleiakku bereits nach wenigen Ladezyklen (dem Formieren), eine hohe Kapazität erreicht. Etwas später entwickeln Lalande und Chaperon das alkalische Element Zn/NaOH/CuO, und 1892 Weston das sogenannte Normalelement mit Quecksilber/Cadmium. Im Jahr 1896 gibt es einen kreativen Schub, als Schmidt die erste Trockenzelle, und de Michalowski das Zn/NaOH/NiOOH – System entwickeln.

Um 1899 erfinden dann Thomas Alva Edison und unabhängig von ihm der Schwede Waldemar Jungner die Nickel-Cadmium-Zelle. Edison will die Akkumulatoren für den Betrieb eines Fahrzeugs nutzen, doch dafür ist sie noch zu schwach. Doch schon 1901 findet er mit der Ni/Fe – Zelle eine äußerst robuste Batterie mit einer hohen elektrischen Kapazität pro Gewichtseinheit. 1912 gelingt es Edison, den Ni/Fe Akkumulator bedingt gasdicht zu machen.

Die Geschichte des Akkumulators ist eng mit der Geschichte der Mobilität verknüpft, und wie üblich auch der Krieg eine Rolle dabei, denn insbesondere U-Boote, die unter Wasser mobil bleiben wollten, brauchten Akkumulatoren. Im Frühjahr 1904 liefert die Accumulatoren Fabrik AG (AFA) in Berlin-Hagen eine aus Triebwagenzellen entwickelte Batterieanlage für das U-Boot ‚Hajen’ der schwedischen Marine.

AFA-Batterie

AFA-Batterie

Ein Jahr später bestellt die Germaniawerft vier Batterieanlagen für drei auf dieser Werft zu bauende russische U-Boote sowie für das erste deutsche U-Boot U 1. Dabei besteht die Werft auf der Lieferung von Batterien der Watt-Accumulatorenwerke in Berlin-Zehndick, obwohl diese mit Separatoren aus Torf versehenen Watt-Batteriezellen weniger leistungsfähig sind, als die von der AFA zu dieser Zeit bereits an die schwedische, niederländische, amerikanische und italienische Marine gelieferten Blei-Säure-Batterien in Großoberflächenbauweise. Das U-Boot U 2 ist 1908 dann das erste deutsche U-Boot, das mit einer Batterieanlage der AFA ausgerüstet wird. Ab 1910 kommen die verbesserten Masseplatten-Batteriezellen (MAS) zum Einsatz, und der U-Boot-Krieg 1914 – 1918 wäre ohne die Zulieferung der AFA-Batterien nicht denkbar gewesen. Auch bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs im Mai 1945 bleibt die AFA der einzige Lieferant für U-Boot-Batterien im Deutschen Reich.

Es ist schon überraschend, aber die umfangreichsten Informationen über diese frühen Technologien findet man auf den Seiten der Sammler alter Aktien (!) – denn diese wurden damals unter großem ästhetischen Aufwand gestaltet.

Im Grunde bestand damit also schon Ende des 18. und Anfang des 19. Jahrhundert die (leider vergebene) Chance, den Personen-Nahverkehr vollständig mit Elektrofahrzeugen abzuwickeln. Der Siegeszug der fossilen Fahrzeuge machte den Traum aber schnell zunichte, und die Weiterentwicklung der Akkumulatoren verläuft danach wesentlich langsamer. Die gasdichte Ni/Cd – Zelle wird z.B. erst 1935 patentiert, das Lithium-Batteriesystem 1949, Knopfzellen als Bauform für Akkumulatoren gehen 1954 in die Serienproduktion, und die Fertigung von Batterien mit Lithiumanoden und organischen Elektrolyten beginnt erst 1974. Die Markteinführung der Ni/Metallhydrid-Zelle erfolgt dann im Jahre 1990.

Auf die Elektromobile, die es damals gab (und auch inzwischen wieder gibt) gehe ich weiter unten noch gesondert ein, zuerst möchte ich hier kurz die bislang am meisten verbreiteten, traditionellen Batterietechnologien aufführen – und zeigen, daß es auch hier noch interessante Weiterentwicklungen gibt:

Jeder kennt die traditionellen Braunstein/Zink-Zellen, wie sie z.B. seit Jahrzehnten in Taschenlampen eingesetzt werden. Die oben bereit angeführten Alkali-Batterien sind im Grunde alle gleich aufgebaut: Ein wässeriger, Kalilauge enthaltender Elektrolyt verbindet die Kathode aus Braunstein (Manganoxid) mit der Anode aus metallischem Zink. Die gespeicherte Strommenge ist wesentlich durch die Braunsteinmenge limitiert.

Noch immer sind Bleiakkumulatoren die verbreitetste Methode, elektrische Energie zu speichern – insbesondere bei den rund 800 Million an Kraftfahrzeugen überall auf dem Planeten (Stand 2005). Im täglichen Gebrauch sind diese Batterien in vielen Geräten vorhanden und wohl auch kaum mehr wegzudenken, obwohl ihre Energiedichte nur 35 Wh/kg beträgt. Noch 1975 erhält die Varta Batterie AG auf der 5. Internationalen Bleikonferenz in Paris den ersten Preis für einen anhand von fünf spezifischen Details neuentwickelten Bleiakkumulator für Elektrostraßenfahrzeuge: angegossene Polbrücken, geblasenen dünnwandige Zellengefäße, absolute Dichtigkeit der Zellen, flexible Polverbinder und die Optimierung aller Einzelbauteile.

1998 wird eine Anlage mit 800 konventionellen Bleibatterien im Rahmes eines Neubaukomplexes im Herner Park-Gelände (Energiepark Mont-Cenis) aufgebaut, um den dort photovoltaisch gewonnen Strom zu speichern. Diese Anlage kann bei Bedarf 1,2 MWh eine Stunde lang abgeben – oder Lastspitzen bis 1,2 MW abdecken. Konzipiert und gebaut wird die Anlage von der Gesellschaft für innovative Energieumwandlung und -speicherung mbH (EUS), die im Juli 1998 eine weitere derartige Anlage in einem Windpark im münsterländischen Bocholt in Betrieb nehmen will.

Im gleichen Jahr geben mehrere deutsche Automobilhersteller bekannt, daß sie mit einer ‚neuartigen und erstmals intelligenten’ Blei/Säure-Batterie auf den Markt kommen wollen. Nicht nur, daß diese Batterie um 40 % leichter, eine sechsmal höhere Ladefähigkeit und eine doppelte Lebensdauer gegenüber den bisherigen Modellen besitzen würde, sie ist außerdem mit einem Mikroprozessor ausgestatten, der den Betrieb der Batterie überwachen, und mittels nicht näher erläuterten Maßnahmen optimierend eingreifen soll. Die Vorserienreife sei bereits erreicht.

2006 hat das Unternehmen Firefly Energy aus dem US-Bundesstaat Illinois den alten Ansatz der Bleiakkumulatoren stark überarbeitet und ihr Gewicht reduziert, gleichzeitig die Lebensdauer erhöht und ähnlich leistungsfähig gemacht wie Nickel-Metall-Hydrid-Akkus, ohne daß es zu Problemen bei der Haltbarkeit kommt. Weil Blei relativ günstig ist und es bereits große Infrastrukturen zur Produktion von Blei-basierten Akkus existieren, sollen die neu entwickelten Energiespender nur ein Drittel dessen kosten, was man für Nickel-Metall-Hydrid-Akkus zahlen muß. Firefly löste die Probleme bei Gewicht und Leistungsausbeute, indem statt schwerer Bleigitter ein leichter Graphit-Schaum verwendet wird, um die Elektronen einzusammeln, die bei der chemischen Reaktion in der Batterie entstehen. Das neue Gitter aus Graphit-Schaum ist außerdem deutlich resistenter gegen Korrosion, die traditionellen Bleiakkus normalerweise irgendwann den Garaus macht.

Obwohl man bei Firefly Energy noch im Prototypen-Stadium steckt, hat das Unternehmen bereits das Interesse mehrere großer Hersteller geweckt. Darunter ist der LKW- und Baufahrzeugspezialist Caterpillar, bei dem einst die Basistechnologie der neuen Bleiakkus entwickelt wurde, sowie BAE Systems, Hersteller des Kampffahrzeugs ‚Bradley’. Der schwedische Elektrolux-Konzern, zu dessen Marken Husqvarna, Poulan, und Weed Eater gehören, plant vollelektrische Geräte mit der Firefly-Batterie bereits für das kommende Jahr. Außerdem will das US-Verteidigungsministerium 2,5 Mio. $ in Firefly stecken, damit das Unternehmen Batterien für leise Militärfahrzeuge bauen kann, die während der Kampfeinsätze ihre lärmenden Verbrennungsmotoren abschalten können. Seit Dezember 2005 besitzt FireFly auch ein entsprechendes Patent: ‚Battery Including Carbon Foam Current Collectors’ (US 6.979.513).

Anfang 2008 kündet das Unternehmen dann unter dem Namen Oasis Group 31 eine neue Tiefentladung-Batterie an, die es bereits im Sommer auf den Markt bringen will. Die Reichweite von Elektromobilen soll sich mit dieser Batterie mindestens verdoppeln lassen, bei gleichzeitig reduzierten Batteriegewicht und verlängerter Lebensdauer. Eingesetzt wird auch hier die inzwischen namentlich geschützte Microcell-Schaum-Technologie.

Zur gleichen Zeit arbeitet auch I. Francis Cheng von der University of Idaho an fortschrittlichen Bleiakkus für Militäranwendungen. Neben dem Ansatz, den schon Firefly verfolgt, werden hier Zusatzstoffe verwendet, die das Gewicht weiter reduzieren bzw. die Leistungsfähigkeit steigern sollen. Eine vergrößerte aktive Oberfläche innerhalb der Batterie ermöglicht so einen schnelleren Ladevorgang bei höherer Leistungsabgabe.

Das britische Batterieunternehmen Altraverda in Abertillery, Gwent, vereinbart im Oktober 2006 eine Kooperation mit dem weltgrößten, unabhängigen Batterieproduzenten, der amerikanischen East Penn Manufacturing Co. in Lyon Station, um auf Grundlage der von Altraverda entwickelten Technologie erstmals echte bipolare Blei/Säure-Batterien herzustellen. Dabei wird der elektrisch leitender Keramikstoff ‚Ebonex’ verwendet, der es ermöglicht kleinere, leichtere und effizientere Batterien herzustellen als bislang machbar. Dieses Material aus Titaniumoxid verbindet die Leitfähigkeit von Metallen mit der Korrosionsresistenz von Keramik. Eine Designstudie für eine 36/42 V Bipolar-Fahrzeugbatterie mit 20 Ah wiegt 15 kg und hat ein Volumen von weniger als 7 Litern, während konventionelle, vergleichbare Systeme 24 – 28 kg wiegen und ein Volumen von 9 – 11 l aufweisen.

Graphitschaum-Kollektor

Graphitschaum-Kollektor

Eine weitere Firma, die sich bereits im Oktober 2006 intensiv mit der Graphit-Schaum Technologie beschäftigt, ist die Power Technology Inc. aus Houston, Texas. Hier wird bereits eine Produktionsanlage für die patentierten Stromkollektoren hochgezogen, bei denen der vernetzte, glasartige Kohlenstoff mit einer dünnen Schicht aus einer Zinn-Blei-Legierung überzogen ist. Damit wird die aktive Fläche für die elektrochemischen Reaktionen um das vierfache vergrößert. Während die neuen Batterien dadurch um 30 % bis 50 % kleiner und leichter hergestellt werden können, steigt gleichzeitig ihr Wirkungsgrad auf 70 % bis 68 % (im Gegegsatz zu den 30 % bis 40 % bei normalen Bleibatterien).

Ähnliche Batterien gehen auf ein Forschungsprogramm des US-Unternehmens Caterpillar im Jahr 2002 zurück, wo man untersuchte, ob sich Blei/Säure-Batterien nicht auch leichter, kleiner und stärker gestalten ließen, wenn man die schweren Bleischichten durch einen Kohlenstoff-Graphit-Schaum ersetzen würde. Mit dieser 3D-Technologie soll sich die Batterielaufzeit auch in heißen Klimazonen verlängern lassen. Ab dem Frühjahr 2008 werden erste Anwendungen in Militärfahrzeugen der US-Army getestet.

Ende 2007 präsentieren Forscher am nationalen australischen Forschungsinstitut CSIRO eine deutlich optimierte Bleibatterie, die fast genauso gut ist wie die aktuellen, aber noch wesentlich teureren Nickel-Metallhydrid-Systeme. Die so genannte UltraBattery verbindet die alte Bleiakku-Technik mit einer Superkondensator-Elektrode (s.d.). Dadurch hält die neue Batterie 3 – 4 Mal länger als die alten Bleiakkus und verursacht nur ein Drittel der Kosten existierender Hybrid-Batteriepakete. Auf einer Teststrecke in Großbritannien absolviert ein Honda Insight Hybrid, der mit einem UltraBattery-Satz ausgerüstet ist, bereits mehr als 160.000 km – ohne dabei extern nachgeladen werden zu müssen. Preislich soll das neue Produkt etwa um 70 % günstiger liegen als bisherige, vergleichbare Batterien, vermarktet wird die UltraBattery unter dem Namen ,Smart Storage technology’, wofür gemeinsam mit dem Unternehmen Cleantech Ventures Anfang 2008 die Smart Storage Pty Ltd. in Surry Hills, Sydney, gegründet wird.

Bei Hybridfahrzeugen kombiniert CSIRO ein 60 V Barrerie-Pack mit einem 150 V Supercaps-Pack. Damit ist für 30 Minuten ein rein elektrischer Betrieb gewährleistet, bei sehr gutem Anfahr- und Beschleunigungsverhalten. Das Konzept der UltraBattery wird in Japan inzwischen von Toyota, Honda und Suzuki getestet. Die Version für den stationären Markt wird auf der Bais von Zellen mit 2 V und 1.000 Ah gebildet, wobei jede Linie aus 12 Zellen besteht (24 V / 1.000 Ah), und jeweils vier Linien zu einem System aus 48 Zellen zusammengefaßt werden.

Auch das US-Unternehmen Axion Power International in New Castle, Pennsylvania, hat eine neue Bleibatterie entwickelt, die den fast unansprechlichen Namen ‚multi-celled asymmetrically supercapacitive lead-acid-carbon hybrid battery’ trägt. Die ersten Prototypen werden bereits 2004 getestet und es erweist sich, daß die Batterien unbeschadet mehr als 1.600 Ladezyklen überstehen, während die konventionellen Bleibatterien bereits nach 300 – 500 Zyklen ihren Geist aufgeben. 2008 ist in Nordamerika ein Demonstrationsprojekt geplant, bei dem Dutzende von Hybridfahrzeugen mit den Blei-Kohlenstoff-Akkus von Axion nachgerüstet werden sollen.

Im Februar 2008 verlautet aus Kanada, daß die dortige Firma VRB Power ebenfalls eine weiterentwickelte Bleibatterie auf den Markt bringen will, die Serienproduktion soll noch im Laufe dieses Jahres beginnen. Zielkunden sind insbesonbdere die Besitzer von PV-Anlagen, die den erwirtschafteten Solarstrom lieber selber speichern anstatt ihn ins Netz einzuspeisen.

Eine weitere Variante, die schon 1994 als ausgereift gilt, ist die Bleigel-Batterie, die allerdings nur 200 bis 300 Ladezyklen erlaubt.

Aus ökologischen Gesichtspunkten ist man inzwischen dazu übergegangen, für Transistorgeräte, Fotoapparate, Handys, elektrische Uhren, Laptops usw. Batterien mit weniger giftigen Elementen herzustellen. Immerhin werden zur Zeit weltweit jährlich etwa 60 Milliarden Batterien verkauft – zumeist mit Zink- und Manganelektroden sowie mit Säureelektrolyt. Und auch die Anzahl bleifreier Autobatterien nimmt allmählich zu (Stand 2007).

Da das Prinzip der chemischen Batterie eine mehrfache Aufladung ermöglicht (Akkumulator), wird ein verstärkter Einsatz im alleinigen oder auch hybriden Kfz-Verkehr erwogen (Elektroauto), und die verschiedenen möglichen Alternativen werden von verschiedenen Seiten erforscht. Eine Batterie, die z.B. einen Kfz-Elektromotor speisen soll, muß mindestens 500 – 750 Mal aufladbar sein, sie darf nicht zu schwer sein, weil ihr Gewicht sonst auf Kosten der mitführbaren Nutzlast geht, die Entnahmezeit für den elektrischen Strom darf nicht zu kurz sein, dafür darf aber die Aufladezeit nicht zu lang sein, usw. usf.

Was das ökologische Problem angeht, so emittieren Batteriefahrzeuge zwar keine Abgase und verursachen auch kaum Erschütterungen – doch die grundlegende Energieproblematik verlagert sich nur zu den Stromerzeugungsanlagen zurück. Dort allerdings ließe sich mit erneuerbaren Primärenergiewandlern eine ökologisch risikoarme energetische ‚Wertschöpfungskette’ beginnen, an deren Ende ein modernes Elektrofahrzeug steht, das im Prinzip mit Solar- und Windstrom fährt. Auf alle Fälle sollte bei derartigen Konzepten eine höhere Nutzungserwartung auch mit einem geringeren Wartungsaufwand verbunden sein.

Neue Ansätze der Batterie-Technologien

Neben den im folgenden aufgeführten Batterien und Akkumulatoren empfehle ich den Lesern auch einen Blick auf die Kapitel der elektrischen Mobilität, da sich dort diverse Einsatzbeispiele für diese Technologien befinden.

Anmerkung: Stand der Recherche ist von 2007/2008 – und inzwischen liegen mir schon wieder Berge an neuen Informationen vor, die ich alleine nicht (mehr) zu bewältigen imstande bin. Ein entsprechendes Update kann daher erst vorgelegt werden wenn sich Kooautoren an dieser Arbeit beteiligen.

In Vorbereitung darauf erfolgte Anfang 2011 eine weitgehend alphabetisch-chronologische Neugliederung in zwei Gruppen, die eine leichtere Einarbeitung neuer Entwicklungen erlaubt und die Übersichtlichkeit erhöht.

Alkali/Mangan-Batterie


Alkali/Mangan-Batterien
sind umstritten, weil durch sie jährlich noch immer mehrere Tonnen Quecksilber in Umlauf geraten.

Im Januar 2008 gibt die japanische Firma Panasonic bekannt, daß man eine neue Alkali-Mangan-Batterie hergestellt habe, die aufgrund ihrer ‚weltweit längsten Lebensdauer’ von bis zu 10 Jahren auch schon Eingang in das Guinness Buch der Rekorde gefunden hat. Die Evolta-Batterien sollen bereits ab April dieses Jahres ausgeliefert werden. Erreicht wurde dieser Rekord durch eine neue Zylinderstruktur und eine neue Kathodenmischung aus Mangan-Dioxid und Oxi-Hydroxide Titanium.

Bereits im August 2007 hatte das Unternehmen ein Demonstrationsfahrzeug vorgeführt, das mit 192 Stück der neuen Oxyride-Batterien der Größe AA (wie sie auch in Kameras, Radios u.ä. eingesetzt wird) ausgestattet ist. Das ‚oxyride 1’ Testfahrzeug erreicht dabei eine Maximalgeschwindigkeit von 122 km/h.

Aluminium/Luft-Batterie

Neu entwickelte chemische Batterien sind die Aluminium/Luft-Batterien des Lawrence-Livermore-Laboratoriums in den USA (zu denen noch eine Recherche ansteht).

Die 1989 von Rainer Partanen gegründete Ab Europositron Oy in Helsinki kassiert bis November 2007 von leichtgläubigen Investoren mindestens 1,3 Mio. € – für die professionell gestaltete Ankündigung einer Aluminium/Luft-Batterie, die in Wirklichkeit jedoch gar nicht entwickelt wurde. Allerdings hatte Europositron 2005 sogar den renommierten Frost & Sullivan Technology Innovation of the Year Award erhalten. Ende 2007 scheint Partanen sich wegen Betrug in Haft zu befinden.

Lithium-Ionen-Batterie (LiIon)

Unter allen aktuellen Technologien wird dieser Batterieart gegenwärtig das größte Interesse entgegengebracht. Bereits Mitte der 1980er Jahre arbeiten die BASF und die Varta AG gemeinsam an einer flexiblen Lithium-Batterie auf Basis eines neuentwickelten, elektrisch leitenden Kunststoffes namens Polypyrrol. Neu war die Idee auch damals nicht, da schon lange zuvor jeder Polaroid-Film eine ähnliche flache und flexible 6 V Batterie besaß, deren Technologie aber fast unbekannt blieb.

Das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart untersuchte seinerseits Lithium- und Lithiumnitrat-Zellen auf ihre praktische Anwendbarkeit. Diese Batteriezellen haben beim gleichen Gewicht wie herkömmliche Bleiakkumulatoren die 7-fache Energiespeicherkapazität, die Energiedichte liegt bei etwa 200 Wh/kg. Die Versuche sind vielversprechend, weil Lithium zum einen das leichteste uns bekannte Metall ist, und weil der feste Innenleiter zum anderen keine Auslaufgefahr birgt. Konzipiert werden diese Akkumulatoren hauptsächlich für die Mikrotechnik, doch auch eine verkehrstechnische Anwendung ist nicht ausgeschlossen.

Die Hannoveraner Varta Batterie AG und das US-Unternehmen Duracell International Inc. forschen gemeinsam an Lithium-Ionen-Batterien. Den Auftrag für dieses 18 Mio. $ Projekt vergibt 1994 das United States Advanced Battery Consortium (USABC), dem Ford, Chrysler und GM angehören.

Das britisch-amerikanische Unternehmen Ultralife Batteries stellt 1995 den Prototyp einer Batterie vor, die überhaupt keinen flüssigen Elektrolyt mehr enthält. Statt dessen wird dieser durch eine feste Polymerschicht ersetzt, die sich zwischen der Anode aus Lithium in einem Kohlenstoffgitter und der Kathode aus mit Manganoxid vermischtem Lithium befindet. Der Aufbau ist so einfach, daß die Batterie sogar in Form einer einen Millimeter dicken Folie hergestellt werden kann. Außerdem kann die Batterie rund 1.000 mal aufgeladen werden, womit sie alle bisherigen Modelle um das fünffache übertrifft. Das Unternehmen gibt bekannt, rund 30 Mio. DM in den Aufbau einer neuen Fabrik zu investieren. Bei Massenproduktion soll eine marktübliche Batterie etwa 1,50 DM kosten.

Französische Wissenschaftler beschreiben 1999 eine Lithiumbatterie, die bis zu 100 mal wieder aufgeladen werden kann, ohne dabei ihre Kapazität einzubüßen. Die hierfür neu entwickelte negative Elektrode besteht aus winzig kleinen Partikeln der Sauerstoffverbindungen von Kobalt, Nickel, Kupfer oder Eisen. Diese Metalloxide haben außerdem den Vorteil, daß sie bei gleichem Volumen die sechsfache Kapazität von Kohlenstoff haben, wie er in herkömmlichen Batterien Verwendung findet.

Mitsubishi arbeitet ebenfalls an Lithium-Ionen-Batterien, die dem firmeneigenen E-Mobil FTO-EV Ende 1999 zu einem Distanzrekord verhelfen: Der bis zu 130 km/h schnelle Prototyp legt innerhalb von 24 Stunden eine Strecke von 2.142 km zurück – wobei das Fahrer-Team jede Stunde eine 20-minütige Pause einlegt, um die Akkus wieder aufzuladen.

Die US-Amerikanische Firma Panasonic Industrial Corp. entwickelt papierdünne Lithiumbatterien mit einer Dicke von nur 0,8 mm, welche aufgrund einer verhinderten Gasbildung auch nach 10 Jahren noch bis zu 95 % der ehemals eingespeicherten Energie enthalten sollen.

(Hier besteht noch eine zeitliche Lücke i.d. Recherche)

Im Mai 2006 beginnt das US-Unternehmen EnerDel aus Indianapolis, eine Tochter der ENER1 Inc., mit der Entwicklung von kompakten Lithium-Ionen-Batterien für den Einsatz in Elektrofahrzeugen wie dem Prius oder dem Th!nk City (s.d.). Unterstützung erhält das Unternehmen dabei vom United States Advanced Battery Consortium (USABC) und dem Department of Energy. Die Technologie selbst stammt aus einer Entwicklung des Argonne National Laboratory in Kombination mit Erfahrungen der Delphi Corporation und der japanischen Lithium-Ionen Industrie.

VentureOne Grafik

VentureOne (Grafik)

Im Februar 2007 gibt die bereits 2001 gegründete Firma A123 Systems aus Watertown, Massachussetts, bekannt, daß man unter Einsatz von am MIT entwickeltem Nanomaterial eine neuartige Lithium-Ionen-Batterie erfunden habe, die sich durch extrem hohe Entladeströme und sehr kurze Wiederaufladezeiten von weniger als 5 Minuten charakterisiert, im Gegensatz zu den sonst üblichen rund 90 Minuten. Die M1 Zellen sollen nun in einem plug-in Hybrid SUV von General Motors sowie in dem dreirädrigen Elektromobil VentureOne der Firma Venture Vehicles aus Los Angeles eingesetzt werden. A123 Systems wirbt für seine laufenden Entwicklungen über 250 Mio. $ privater Investitionsmittel ein.

Im August 2007 informiert GM über seine Kooperationspläne mit A123 Systems, das die Akkus für das Elektromobil Chevrolet Volt liefern soll, dessen Produktion 2010 oder 2011 beginnen wird.

Im Januar 2008 gibt das Wall Street Journal auf seiner Titelseite bekannt, daß A123 Systems weitere 132 Mio. $ von der Investmentfirma Sequoia Capital und anderen Investoren bekommt. Die Produkte des Unternehmens werden inzwischen bei den Elektrowerkzeugen von Black & Decker eingesetzt.

Mit einem LiIo-Pack von A123 ist auch das zur Zeit schnellste Elektro-Motorrad der Welt ausgestattet. Das Killacycle beschleunigt in weniger als einer Sekunde auf 96,5 km/h und erreicht nach sieben Sekunden eine Geschwindigkeit von 270 km/h, was schnell genug ist, um in Wettbewerb mit den Benzin-betriebenen US-Dragster-Motorrädern zu treten. Damit wird auch der bisherige Weltrekord des Elektro-Kraftrades Current Eliminator V gebrochen, das Ende 2007 mit Lithium/Titanat Batterien von Altairnano (s.u.) ausgestattet in 7,963 Sekunden eine Endgeschwindigkeit von exakt 258,48 km/h erreicht hatte

Li-Io-Pack von A123

Li-Io-Pack von A123

Bereits 1992 bilden Nissan, NEC sowie die NEC-Tochter NEC Tokin ein Joint Venture namens Automotive Energy Supply Corporation zur Entwicklung von neuen Lithium-Ionen-Batterien, die ebenfalls primär für den Einsatz in Elektromobilen signifikat leichter und auch kraftvoller als die bislang in Japan eingesetzten Nickel-Metalhydrid Zellen ausfallen sollen (s.u.). Im April 2007 gibt das Joint Venture bekannt, daß man ab 2009 mit der Massenproduktion von Zellen beginnen wird, die nur noch halb so groß aber gleichzeitig doppelt so stark sind, wie gegenwärtige Modelle.

In Deutschland kommt im November 2007 der Essener Evonik-Konzern in die Presse, der gemeinsam mit Forscher der Universität Duisburg-Essen daran arbeitete, besonders leistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien autotauglich zu machen. Dabei wird eine weiche Nano-Membran eingesetzt, die in der Marler Fabrik des Unternehmens bereits von den Walzen rollt. An der Entwicklung wird bereits seit Jahren gearbeitet, rund 50 Mio. € sind investiert worden und 25 Patente schützen die Technologie, die im Oktober 2007 für den Deutschen Zukunftspreis nominiert wird. Inzwischen verhandelt Evonik mit diversen Autoherstellern, damit 2009 oder 2010 die ersten Autos mit diesen Antriebsbatterien ausgerüstet werden.

Im Alternative zu den bisher verwendeten Kunststoff-Trennfolien, die bei 140°C zu schmelzen beginnen und daher aus Sicherheitsgründen für Autobatterien mit ihrem hohen Energievorrat nicht akzeptabel sind, werden die Evonik-Folien mit winzigen Keramikpartikeln verklebt, die etwa halb so dick wie ein Haar sind. Dadurch bleiben die unter dem Namen Separion bekannten, flexiblen keramischen Separatormembranen zwar weich, halten dank der Beschichtung aber Temperaturen bis 500°C aus.

Evonik rechnet damit, daß der Batterie-Markt für von derzeit 1,4 Mrd. € bis 2015 auf 4 Mrd. € anwächst und plant für seine Tochter Litarion GmbH in Kamenz/Sachsen und den Kamenzer Batterieteilehersteller Li-Tec, an dem Evonik beteiligt ist, innerhalb der kommenden zwei Jahre Investitionen in zweistelliger Millionenhöhe. Nachschubprobleme werden nicht erwartet, denn Lithium, das vor allem in Mexiko und Südamerika zusammen mit Soda abgebaut wird, ist ausreichend vorhanden.

Seit September 2007 ist die ehemalige Degussa das Geschäftsfeld Chemie der neuen Evonik Industries. Gemeinsam mit dem japanischen Kooperationspartner ENAX, der in Yonezawa hochleistungsfähige Batterien fertigt, wird als ein erster Prototyp ein konventionelles Hybridauto, der Honda Civic, auf Lithium-Ionen-Technologie umgerüstet.

Batterie

Exxon-Membran
(4 x 4 µm)

Auch die Exxon Mobil Corp., Amerikas größter Ölkonzern, gibt im November 2007 die Entwicklung einer neuartigen Separator-Folie bekannt, durch die es möglich wird, größere Lithium-Ionen-Batterien herzustellen, die sich nicht überhitzen. Partner ist das japanische Unternemen Tonen Chemical, das bereits seit 1991 Trennmembranen für kleine LiIo-Batterien herstellt.

Im Dezember 2007 gibt es eine ganze Reihe von neuen Schritten in diesem Sektor.

Zum einen stellt das US-Unternehmen Valence Technology Inc. aus Austin, Texas, die 3. Generation seiner intelligenten, großformatigen ‚Epoch’ Lithium-Ionen-Batterien vor. Gleichzeitig gibt Toshiba bekannt, daß man ab dem März 2008 mit der bereits 2005 entwickelten Super Charge ion Battery (SCiB) auf den Markt kommen wird, die innerhalb von 5 Minuten zu 90 % geladen werden kann, eine Lebensdauer von 10 Jahren hat und auch nach 3.000 Ladezyklen nur maximal 10 % ihrer Leistung einbüßt.

Die japanischen Unternehmen GS Yuasa Corporation, Mitsubishi Corp. und Mitsubishi Motors Corp. wiederum geben die Bildung eines Joint Venture unter dem Namen Lithium Energy Japan bekannt, unter dessen Dach sie Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien herstellen werden. Als erste Umsetzung wird mit einer Investition von 3,3 Mio. $ in Kyoto eine automatische Produktionslinie errichtet, die ab 2009 eine Jahresproduktionskapazität von 200.000 Zellen haben wird.

Forscher der Stanford University melden die erfolgreiche Entwicklung von Silizium-Nanodrähten, die als Anoden-Material für Lithium-Ionen-Akkus das Erreichen von rund zehnmal so langen Batterielaufzeiten im Vergleich zu derzeitigen Modellen, bei denen zumeist Kohlenstoff zum Einsatz kommt, erlauben. Da sich Silizium bei der Lithium-Aufnahme dagegen um rund einen Faktor vier ausdehnt, und beim Entladen des Akkus wieder entsprechend schrumpft, gab es bisher ein Problem durch die schnelle Pulverisierung und den damit einhergehenden Kapazitätsverlust. Dieses Problem ist jetzt durch eine Verarbeitung des Siliziums in Form von Nanodrähten gelöst, die im Lade/Entlade-Zyklus stabil bleiben und rund zehn Mal mehr Lithium-Ionen im Vergleich zu herkömmlichen Anoden aus Graphit absorbieren. Mit Hilfe der Nanodraht-Elektroden läßt sich auch die Kapazität von Lithium-Batterien mindestens verdreifachen.

Die Nachteile der Stanford-Methode sind der Produktionsprozeß der Nanodrähte, der bei Temperaturen zwischen 600°C und 900°C erfolgt, wobei gasförmiges Silizium mit einem Katalysator aus verflüssigtem Gold zum Reagieren gebracht wird und direkt auf dem Spannungskollektor aus Stahl wächst. Es ist noch unklar, wie viel eine solche Anlage im industriellen Maßstab kosten würde. Außerdem bilden die Silizium-Nanodrähte zwar eine hervorragende Anode, doch es gibt noch keine Kathode, welche die entsprechend größere Ladung abgeben kann. Die Forscher arbeiten daher neben einer alternativen Lithium-Anode, die auf einem Kobaltoxid-Nanodraht basiert, auch noch an anderen, neuen Materialien für Kathoden.

Dr. Wolfgang Dreyer vom Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS) und Leiter der Forschungsgruppe ‚Thermodynamische Modellierung und Analyse von Phasenübergängen’ arbeitet zu diesem Zeitpunkt an mathematischen Modellen die dabei helfen sollen, Lithium-Ionen-Batterien leistungsfähiger zu machen. Der recht komplizierte Name des Projekts heißt ALISTORE (Advanced lithium energy storage systems based on the use of nano-powders and nano-composite electrodes/electrolytes). Mit einem guten Modell können nämlich zahlreiche teure Versuche eingespart und im Labor nur die besonders vielversprechenden Experimente tatsächlich durchgeführt werden.

Das bereits oben erwähnte (s. 1994) United States Advanced Battery Consortium (USABC) schließt im Januar 2008 mit dem Unternehmen Compact Power Inc. (CPI) in Troy, Michigan, einen 27-monatigen Vertrag im Wert von 12,9 Mio. $ zur Entwicklung einer Lithium-Ionen-Akku-Technologie für Elektromobile, bei der die Hochleistungs-Mangan-Spinell (LiMn2O4) Kathoden-Chemie von CPI eingesetzt wird. Die Vorteile dieser Technologie sind eine sicherere Chemie, hochtemperaturtaugliche Membranen und eine Laminathülle, die vor Explosionen der Zelle schützt. CPI arbeitet im Rahmen des Volt/E-Flex Entwicklungsprogrammes bereits mit GM zusammen.

Deutsche Forscher der Uni Siegen entwickeln Anfang 2008 in Kooperation mit Wissenschaftlern der Universität Münster eine neue Klasse anorganischer Ionenleiter, die eine dem Mineral Argyrodit analoge Struktur aufweisen. Der leitfähigste Vertreter dieser künstlichen Mineralien besteht aus Lithium-, Phosphor-, Schwefel- und Brom-Atomen, als Ausgangspunkt wird das bereits 1885 bei Freiberg entdeckte Silber-Germanium-Schwefel-Mineral Argyrodit genutzt, in dem die Silberionen recht beweglich sind. In der neu hergestellten Variante wird Silber durch Lithium, Germanium durch Phosphor und ein Teil der Schwefelatome durch Halogenide (Chlor, Brom, Iod) ersetzt.

Im März 2008 meldet die MercedesGruppe (so heißt der Daimler-Konzern zu diesem Zeitpunkt) den serienmäßigen Einsatz der Lithium-Ionen-Technik in der Luxus-Limousine S 400 Hybrid ab Sommer 2009. Geschützt wird die neue Technologie, an der das Unternehmen zusammen mit dem Autozulieferer Continental und dem französischen Produzenten für Batteriesysteme Johnson Controls-Saft seit 1992 forscht, mit inzwischen 25 Patenten. Bei der S-Klasse mit einem kombinierten Verbrennungs- und Elektroantrieb handelt sich um einen sogenannten Mild-Hybrid, bei dem der Elektromotor den Ottomotor lediglich unterstützt.

Argonne National Laboratory

Argonne National Laboratory

Forscher des chinesischen Shenyang National Laboratory für Materialwissenschaften geben im April 2008 bekannt, daß es ihnen gelungen ist die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien erheblich zu verlängern, indem sie für die Anoden auf Silizium-Partikeln Nano-Röhrchen aus Kohlenstoff wachsen lassen, das sie unter hoher Temperatur und im Vakuum aus Zucker gewinnen.

Fast zeitgleich meldet das Argonne National Laboratory im US-Bundesstaat Illinois die Entwicklung neuartiger Verbundstoffe, mit denen Li-Io-Akkus sicherer und langlebiger gemacht werden können – bei einer gleichzeitigen Kapazitätsteigerung um bis zu 30 %. Die Argonne-Forscher verbessern die chemische und strukturelle Stabilität des Materials, in dem sie einen Teil des üblicherweise genutzten Kobaltoxids durch das chemisch stabilere Manganoxid ersetzten. Das neue Elektrodenmaterial kann 45 % – 50 % mehr Energie speichern, was einer Verbesserung der Gesamtenergiekapazität um 20 % – 30 % entspricht. Eine Variante des Materials kann 1.500 Mal aufgeladen und entladen werden, ohne daß große Kapazitätsverluste eintreten. Die Kommerzialisierung der Technologie ließ sich der japanische Spezialhersteller Toda Kogyo lizenzieren, der eine Produktionskapazität für das Grundmaterial von 30 Millionen Laptop-Batterien pro Jahr besitzt.

Im Mai 2008 stellt Nissan auf der CeMAT 2008 in Hannover einen neuen Gabelstapler vor, der von Li-Io-Batterien angetrieben wird, wie sie auch für Nissans Denki Cube Electric Vehicle vorgesehen sind. Die Baterien sind gemeinsam im Rahmen des Joint Ventures  Automotive Energy Supply Corporation (AESC) zwischen Nissan and NEC entwickelt worden und waren auch Bestandteil des Nissan PIVO 2 Konzeptfahrzeugs. Der Gabelstapler soll nach Abschluß der Entwicklungsarbeiten 2009 auf den Markt kommen.

Im Juni 2008 verkündet auch das taiwanesisch-amerikanische Unternehmen E-One Moli Energy Corp. (Molicel) die Entwicklung eines neuen Lithium-Ionen-Akkus, bei dem als Kathodenmaterial anstatt Mangan z.B. die Materialkombination LiFePO4 zum Einsatz kommt, die sich auch nach 1.200 Ladezyklen noch über 80 % ihrer Kapazität erhält. Außerdem sei die neue Technologie sicherer, langlebiger und auch günstiger herstellbar. Auf seiner Seite bietet die Firma insgesamt vier verschiedene Kathodenmaterialien an:

  • Lithium cobalt dioxide, LiCoO2 (energy cell). 3.7 V
  • Lithium manganese oxide, LiMn2O4 spinel (power cell). 3.8V
  • NMC, composed of LiNi, Mn, Co, and O2 (high-rate cell). 3.8V
  • Lithium iron phosphate, LiFePO4 (high-rate cell). 3.2V

Ein weiteres US-Unternehmen, das zu dieser Zeit mit einer Li-Io-Technologie auf den Markt drängt, ist die in Lafayette, Colorado, beheimatete Porous Power Technologies LLC.

Toshiba stellt im März 2005 superschnell nachladbare Lithium-Ionen Batterien vor, die in nur einer Minute bereits zu 80 % geladen sind. Hier ist die negative Elektrode mit neuentwickelten Nano-Partikeln belegt, die große Mengen an Lithium-Ionen aufnehmen und speichern können, ohne daß es an der Elektrode zu einer Wirkungsreduktion kommt. Der Prototyp dieser laminierten Lithium-Ionen Batterie ist 3,8 mm dick, 62 mm lang und 35 mm breit, und hat eine Kapazität von 600 mAh. Nach 1.000 Zyklen trat ein Verlust von nur 1 % auf, und selbst bei Temperaturen von minus 40°C bietet der Akku noch 80 % seiner Leistung. Er soll bereits 2006 auf den Markt kommen. Andere Batterien mit NanoTechnologie behandle ich weiter unten.

Altair Nanotechnologies aus Reno, Nevada, will bis Ende 2006 eine neuentwickelte Lithium-Ionen-Batterietechnik in einen Elektrofahrzeug-Prototyp stecken, den man zusammen mit der kanadischen Firma Boshart Engineering plant. Die neuen Batterien verwenden eine stabile Struktur, bei der sich die Elektroden nicht ständig ausdehnen und zusammenziehen, wenn sich die spannungserzeugenden Ionen hinein- und hinausbewegen, was derzeit zum mehr oder minder frühem Ableben der konventionellen LiIon-Akkus führt. Außerdem wird mit Hilfe von Nanopartikeln an den Elektroden deren Fläche vergrößert, was den Ionen-Fluß beschleunigt. Hierdurch ergeben sich höhere Energiespitzenwerte und schnellere Ladeprozesse. Weitere neue Materialien verlängern die Lebensdauer und reduzieren die Kosten. Bis die Standards der Autohersteller erreicht sind, die unter anderem fordern, daß die Batterien mindestens zehn Jahre halten, wird es allerdings noch dauern.

Lithium-Polymer-Batterien

Eine weitere neue Variante bilden Lithium-Polymer-Batterien, bei denen das Lithium nicht wie bei den üblichen Lithium-Ionen Batterien in Zellen gepackt, sondern in ein Polymergel eingebracht wird.

Durch diese Technik wird eine Selbstentzündung, die bei anderen Modellen aufgrund interner Kurzschlüsse häufig aufgetreten ist, verhindert. (Zwischen 2004 und 2006 sahen sich Firmen wie Sony, Dell, Lenovo, Toshiba, Apple Computer u.a. gezwungen, Millionen von Lithium-Ionen Batterien zurückzurufen, die sie zusammen mit ihren Notebooks ausgeliefert hatten.)

Die kanadische Hydro-Quebec beginnt bereits 1980 mit Forschungen an Lithium-Polymer-Batterien und gemeinsam mit 3M und dem Argonne National Laboratory wird bis 1997 eine entsprechende Batterie entwickelt, die mit 40 kWh Energieinhalt bei 80 kW Spitzenleistung und einer Energiedichte von 150 Wh/kg eine Kfz-Reichweite bis zu 200 Meilen ermöglicht.

Im Dezember 2006 gibt Sony Electronics bekannt, daß es seine Lithium-Polymer-Batterien  nun ‚bald’ für Laptops produzieren will. Ihr Ersteinsatz geht allerdings schon auf das Jahr 1997 zurück, als Mitsubishi sie in sein sehr störanfälliges Pedion Notebook integrierte, das damals für einen Preis von 6.000 $ angeboten wurde. Zu den bekanntesten Herstellern von Lithium-Polymer-Batterien gehört 2008 die US-Firma Compact Power Inc. (CPI) in Troy, Michigan.

Das US-Unternehmen Superlattice Power Inc. aus Mooresville, North Carolina, gibt im Juni 2008 die Entwicklung eines neuen Kathodenmaterials für Li-Io-Batterien bekannt, das aus Magnesium, Kobalt, Nickel und Titan besteht und zukünftig in Lithium-Polymer-Batterien eingesetzt werden soll. Das Material wird bereits in industriellem Maßstab gefertigt. Die Reichweite der enstprechend ausgestatteten Elektofahrzeuge wird sich dadurch von derzeit 200 km auf über 300 km steigern lassen.

Lithium/Titanat-Batterie

Lithium-Titanat Nanopartikel

Lithium-Titanat Nanopartikel

Das US-Unternehmen Altair Nanotechnologies Inc. (Altairnano) aus Reno, Nevada, stellt schon im August 2007 unter dem Namen NanoSafe eine neue Lithium/Titanat-Batterie vor, die sich durch eine dreifache Kapazität, eine sehr kurze Aufladezeit, eine längere Lebensdauer und auch durch ihre kostengünstigere Herstellung auszeichnet. Im Juni hat man bereits einen Kooperationsvertrag mit der internationalen Energiefirma AES Corp. unterzeichnet.

Die Nano-Titanat Batterien von Altairnano sollen sich in nur 15 Minuten aufladen lassen, was Elektromobilen anschließend eine Reichweite von über 200 km erlaubt. Sofern die Aufladung nachts erfolgt, schlagen die Energiekosten dafür mit nur 3 $ zu Buche.

Im Januar 2008 gibt das Unternehmen bekannt, daß man ein 2 MW Speichersystem ausgeliefert habe, das für einen Preis von 1 Mio. $ von AES bestellt worden war. Der Energiezwischenspeicher soll im ersten Qzartal 2008 an das Netz angeschlossen werden, um es einem Praxistest zu unterziehen.

Lithium/Schwefel-Batterie


Es werden auch Lithium/Schwefel-Batterien entwickelt, die bei Betriebstemperaturen zwischen 375°C und 475°C arbeiten, die aufgrund der geforderten Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit aber entsprechend kostspielig sind.

Natrium/Schwefel-Batterie

Natrium/Schwefel-Batterien werden bereits 1966 von der US-Firma Ford Motor Comp. empfohlen, da sie schon damals den höchsten Entwicklungsstand besitzen und weil ihre Ausgangsmaterialien leicht zugänglich und in ‚beliebiger’ Menge vorhanden sind. Die Trennwand bei derartigen Akkumulatoren besteht aus Keramikmaterial, der Elektrolyt ist fest, dafür sind die Elektroden flüssig. Die Arbeitstemperatur beträgt allerdings 300°C. Ein Fahrzeug mit 500 kg Natrium/Schwefel-Batterien hat 1973 bereits eine Reichweite von etwa 200 km – für die gleiche Reichweite müßte es 2 Tonnen Bleiakkumulatoren mitbewegen! Auch das MIT arbeitet 1976 an dieser Technologie, ein erster Batterie-Prototyp wiegt sogar nur ein Fünftel herkömmlicher Modelle. Hier besteht die Membran aus Zirkoniumphosphosilikat und wird zwischen geschmolzenes Natrium und Schwefel geschaltet.

Die BBC in Mannheim investiert zwischen 1972 und 1987 über 100 Mio. DM in die Entwicklung der Natrium/Schwefel-Batterie. Für den ausschließlichen Kfz-Verkehr sind die Versuche der Gesellschaft für elektrischen Straßenverkehr (GES) in Düsseldorf gedacht, die mit einem Wagenpark von 50 Elektro-Kleintransportern (Höchstgeschwindigkeit 70 km/h) die erste praktische Erprobung startet. 1973 führt das Batelle-Institut in Frankfurt zusammen mit BBC BMFT-unterstützte Forschungen an Natrium/Schwefel-Batterien durch, und im Rahmen des Groß­versuchs ‚Elektrobus-Programm Nordrhein-Westfalen’ werden mit dem Einsatz von 20 Batterie-Bussen weitere experimentelle Ergebnisse gesammelt. Die Na/S-Batterie hat unter Laborbedingungen eine sehr hohe spezifische Speicherfähigkeit gezeigt (0,3 kWh/kg), allerdings auch eine nicht unproblematische Betriebstemperatur von bis zu 350°C.

Beim dem 1983 versuchsweise durchgeführten Einbau von jeweils 400 kg schweren Ns/S-Akkus in 20 Golf-Pkw zeigt sich, daß die erzielte Reichweite mit nur 70 km sehr gering ist, da die tatsächlich erreichte spezifische Speicherfähigkeit kaum 0,1 kWh/kg erreicht (die Kosten eines einzelnen Elektro-Golfs betragen immerhin 40.000 DM). Es gibt ferner Versuche mit Elektrobussen, die sowohl am Hochleitungsnetz angeschlossen, als auch davon abgetrennt im Schwefel/Natrium-Batteriebetrieb umherfahren können. Auf Landfahrt wird dann ein ebenfalls eingebauter normaler Verbren­nungsmotor eingeschaltet (Hybridtechnik).

Ab 1989 wird – ebenfalls vom BMFT gefördert – an einer Natrium/Schwefel-Hochleistungsbatterie geforscht (Gewicht 265 kg, über-Nacht-Aufladung am 220 V Stomnetz, Fahrzeugreichweite 100 – 150 km). Im Jahr 1991 integriert man dann spezielle Festkörper-Elektrolyten aus Keramik. Im Vergleich zu Bleiakkumulatoren wird dadurch bei gleichem Energieinhalt nur noch ein viertel des Gewichts bei halbem Bauvolumen benötigt. Mit dieser Batterie ausgerüstete Pkws der Mittelklasse erreichen eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h und eine Reichweite von 150 – 200 km. Auf 100 km verbraucht die Batterie rund 25 kWh, sie kann etwa 1.000 mal aufgeladen werden, doch das Aufladen dauert noch 8 Stunden. Von den bis zu diesem Zeitpunkt aufgewendeten Entwicklungskosten von 220 Mio. DM trägt das BMFT etwa ein Drittel.

Die Firma Chloride Silent Power Ltd. in Großbritannien nimmt mit der Fachunterstützung des staatlichen Electricity Council ein 900 kg schweres Versuchsfahrzeug in Betrieb, das mit der Kraft von 960 Natrium/Schwefel-Batterien bewegt wird. Bei einer Spitzengeschwindigkeit von 128 km/h hat es eine Reichweite von 240 km. Diese Batterieform wird Ende der 1980er Jahre an der Universität Heidelberg weiterentwickelt, wobei hier besondere Hoffnung für den Einsatz im Verbund mit photovoltaischen Solarsystemen geweckt wird.

Der Elektrokonzern ABB verabschiedet sich 1995 aus dem Rennen um eine neue Natrium/Schwefel-Batterie nachdem es bei Versuchsfahrten in den USA mit ABB-Akkus zu mehreren merkwürdigen Bränden gekommen ist.

Im März 2008 berichtet die Presse von dem Plan des US-Unternehmens Xcel Eenergy aus Minnesota, in Kooperation mit der University of Minnesota, dem National Renewable Energy Laboratory und dem Great Plains Institute die für die USA erstmalige Verwendung von Batterien zur Speicherung von Windstrom zu testen. Dabei werden Natrium/Schwefel-Batterien des japanischen Industriekeramik-Herstellers NGK Insulators Ltd. (NGK) aus Nagoya auf ihre technische und wirtschaftliche Machbarkeit überprüft. Hierfür wird im Laufe des Frühjahrs in Luverne, etwa 45 km östlich von Sioux Falls in South Dakota, ein etwa 80 t schwerer Klotz aus 20 Stück 50 kW NAS-Modulen aufgestellt, der eine Energiemenge von 7,2 MWh speichern kann, die aus einem nahegelegenen Windenergiepark mit einer Leistung von 11 MW stammen. Die Ladekapazität der Batterie, die in Zusammenarbeit mit der Tokyo Electrical Power Company entwickelt wurde, beträgt 1 MW, d.h. daß sie pro Stunde 1 MWh an Energie aufnehmen bzw. abgeben kann. Voll geladen können damit 500 Haushalte über sechseinhalb bis sieben Stunden mit Strom versorgt werden. Das Speicherprojekt wird mit 1 Mio. $ aus dem öffentlichen Minnesota Renewable Development Fund gefördert und soll bereits im Oktober 2008 in Betrieb gehen.

NGK-Speicher

NGK-Speicher

Im April 2008 gibt NGK bekannt, daß man auch in einem Dorf an der Nordspitze Japans eine Natrium/Schwefel-Batteriebank errichtet, um dort den Strom der Windturbinen in Rokkasho für Spitzenbedarfszeiten zu speichern um ihn dann mit weit größerer Gewinnspanne zu verkaufen. Pro 1 MW Speicherkapazität kostet das System rund 2,9 Mio. $, es besitzt eine 4,3-fache Speicherkapazität im Vergleich zu konventionellen Blei/Säure-Batterien.

Ebenfalls im April 2008 wird ein ähnliches System auch aus China bekannt, das dort vom Shanghai Institute of Ceramics, der chinesischen Akademie der Wissenschaften und einem lokalen Stromanbieter entwicklet wird. Im Unterschied zu den bislang üblichen Modellen wird das Natrium am negativen Pol, und der Schwefel am positiven Pol der Batterie eingesetzt. Die Lebensdauer der preislich günstig herstellbaren Batterie soll 10 Jahre betragen. Aus 400 Einzelzellen von 125 W werden hier 50 kW Module zusammengeschaltet.

Natrium/Nickelchlorid-Batterie

Eine große Chance auf Umsetzung und Anwendung im Straßenverkehr wird auch Natrium/Nickelchlorid-Batterien eingeräumt, die bei einer Betriebstemperatur von 300°C eine Energiedichte von 100 Wh/kg besitzen und 600 Ladezyklen erlauben – was bei einer Reichweite von 150 km pro Ladung einer Fahrtstrecke von 90.000 km entspricht. Ziel sind allerdings 1.000 Ladezyklen und eine Lebensdauer von 5 Jahren.

1994 beginnt bei der AEG in Berlin die Pilotfertigung der ‚ZEBRA’ Batterie, die ab 1993 von der AEG Anglo Batteries entwickelt wird, einem Gemeinschaftsunternehmen der AEG Daimler-Benz Industrie und der südkalifornischen Anglo American Corporation, die wiederum seit 1988 an diesem Projekt arbeitet. Man stellt 180.000 Einzelzellen her, aus denen 450 Batterien zusammengestellt werden, die unter anderem auf Rügen erprobt werden. ZEBRA-Batterien werden 1997 auch bei einem Europa-Test mit deutschen und französischen Fahrzeugen eingesetzt.

Nickel/Metallhydrid-Akkumulatoren

Bei der 1992 gegründeten Electro Energy Inc. aus Danbury in Connecticut fungiert das CIA-Unternehmen In-Q-Tel als Investor.

Die Electro Energy Inc. stellt neben bipolaren Lithium-Ionen-Akkumulatoren für hohe Leistungen auch bipolare Nickel/Metallhydrid-Akkumulatoren her – sowie ‚Super’-Nickel/Cadmium-Akkumulatoren, primär für Satellitensysteme, B-52- und B-1-Bomber sowie Cobra-Hubschrauber. Nun unterzeichnen In-Q-Tel und die SkyBuilt Power Inc. aus Arlington im US-Bundesstaat Virginia ein Übereinkommen für eine strategische Partnerschaft. SkyBuilt baut vorrangig für militärische Aufgaben Elektroenergie erzeugende Einheiten, die hauptsächlich mit Wind- und Solarenergie  gespeist werden können und mit einem Akkumulatoren-Backup-System ausgerüstet sind.

Die auf Containern basierende Mobile Power Station (MPS) soll bis zu 150 kW bereitstellen, je nach Konfiguration Gleichstrom oder Wechselstrom, bei 12 – 240 V. Ein Diesel- oder Erdgasbetrieb, die Nutzung von Brennstoffzellen bzw. von Wasserkraft über Micro Hydro-Einheiten ist ebenfalls möglich. Ähnliche Systeme werden später auch für den zivilen Bereich entwickelt.

Foto

Nickel-Annode

Mitte 2007 meldet die Presse, daß es nun auch Nickel/Metallhydrid-Akkus (NiMH) mit reduzierter Selbstentladung gibt. Bei den AA-Zellen lässt sich dadurch zwar nicht mehr die maximale Kapazität von 2.700 mAh erreichen, sondern nur noch 2.100 mAh, die Zellen sind jedoch verlässlicher und flexibler einsetzbar. Außerdem garantiert Hersteller Sanyo für seine Eneloop-Zellen auch nach zwölf Monaten Gebrauch eine Kapazitätvon etwa 85 %.

Auf dem Automobilsektor wollen Audi (Q7 Kleinserie, Ende 2008) und Porsche (SUV Cayenne, Ende 2009) ihre Modelle als Full-Hybrid mit ca. 70 kg schweren Nickel-Metallhydrid-Batterien anbieten. Ein Full-Hybrid kann bei geringen Geschwindigkeiten oder beim Anfahren allein durch den Elektromotor angetrieben werden.

Schon sehr weit verbreitet sind wiederum Nickel-Cadmium-Batterien, die aufgrund langjähriger Erfahrungen in der Industrie und beim Schienenverkehr in Schweden bis zur Marktreife entwickelt worden sind und inzwischen von vielen Herstellern produziert werden (Varta, Sonnenschein, SAB Nife, Oerlikon u.a.). Sie haben Energiedichten zwischen 40 und 55 Wh/kg und werden insbesondere für die Herstellung unterbrechungsfreier Stromversorgungsanlagen (USV) eingesetzt.

Nickel/Eisen-Batterien

Nickel/Eisen-Batterien

Nickel/Eisen-Batterien
(z.T. 80 Jahre alt)

Nickel/Eisen-Batterien bietet 2007 dagegen die BeUtilityFree Inc. in Fort Lupton, Colorado, an – mit den Argumenten, daß diese von Thomas Edison in den frühen 1900er Jahren erfundenen umweltfreundlichen Akkus bereits seit über 100 Jahren genutzt werden, und daß Anwender bestätigen, daß die Batteriekapazität auch nach 60 Jahren im Dienst noch immer 100 % beträgt – was in der Geschichte der Batterietechnologie wohl absolut einmalig ist!

Die Akkus besitzen eine Einsen-Annode, eine Nickeloxid-Kathode, nutzen Kaliumhydroxid als Elektrolyt und benötigen neben der regelmäßigen Zugabe von Wasser nur alle 15 Jahre etwas zusätzliches Kaliumchlorid.

Nickel/Hydrid-Batterie

Varta-Forscher entwickeln 1994 die damals kleinste Nickel/Hydrid-Knopfzelle der Welt, sie hat einen Durchmesser von einem Zentimeter und ist völlig Cadmiumfrei. Die Entwicklung erhält den Innovationspreis der Deutschen Wirtschaft. An größeren Nickel/Hydrid-Batterien arbeiten neben Varta die Unternehmen GM Ovonics, eine Tochter des Autokonzerns, sowie der französische Batteriehersteller Saft.

Nickel/Zink-Batterien

Ab dem Frühjahr 2008 bietet die im Jahr 2000 gegründete Firma PowerGenix aus San Diego, Kalifornien Nickel/Zink-Batterien (NiZn) an.

Nickel/Zink Batterie-Pack

Nickel/Zink Batterie-Pack

Diese beinhalten keinerlei Blei, Cadmium oder Quecksilber und entsprechen damit der 2006 herausgegebenen EU- Richtlinie zur Verringerung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe. Im Vergleich zu den derzeit genutzten anderen Nickel Metalhydrid (NiMH) Technologien zeichnen sich die NiZn-Akkus durch rund 30 % höhere Leistung aus, sind leichter, kleiner und auch kostengünstiger in der Herstellung. Im Mai 2008 stellt das Unternehmen sein neues, umweltfreundliches Batterie-Pack für Elektrofahrzeuge vor.

An dieser Stelle ist auch ein Hinweis auf die Nickel/Zink-Batterie von James J. Drumm passend, die dieser unter dem Namen ‚Drumm Traction Battery‘ bereits ab 1932 zum Berieb von Elektrozügen in Irland eingesetzt hat (s.d.).

Ein weiteres Unternehmen, das die Entwicklung und Vermarktung einer Nickel/Zink-Batterie betreibt, ist die 2003 gegründete und in Hawthorne, New York, beheimatete Xellerion Inc. Die Firma gibt 2008 bekannt, daß man nun auch das Problem der Bildung von Dendriten in der Batterie gelöst habe. Xellerion ist eine Tochter der taiwanesischen Firma eVionyx.

Radionuklid-Batterie

Vor Helgoland experimentiert die Gesellschaft für Kernenergieverwertung in Schiffbau und Schiffahrt (GKSS) mit einer 23 m tief versenkten Radionuklid-Batterie, und auch die Firmen MBB und Siemens arbeiteten daran, die Zerfallswärme radioaktiver Isotope für eine entsprechende Batteriekonstruktion zu nutzen, die später zwar nicht gerade für Kraftfahrzeuge, aber sehr gut für automatische Wetterwarten, Signalbojen u.ä. geeignet ist. Derartige Batterien werden auch bei Satelliten und Raumsonden eingesetzt. Die Cassini-Sonde hat sogar mehrere Kilogramm Plutonium mit an Bord…!

Im April 2008 stellt das US-Unternehmen Hyperion Power Generation aus Santa Fe das Konzept eines transportablen Nuklearreaktors vor, der ohne jede beglichen Teile auskommt und dadurch einer nuklearen Batterie gleicht. Das Patent geht auf den Wissenchaftler Otis Peterson im Jahr 2003 zurück. In der Größe eines Whirlpools produziert der mit Uranhydrit befüllte und von einer Wasserstoff-Atmosphäre umgebene Nukleargenerator 27 MW thermische Energie, was dem Bedarf von rund 25.000 Haushalten entspricht. Das Unternehmen war erst einen Monat zuvor am Los Alamos National Laboratory gegründet worden, um die Technologie auch für den privaten Sektor marktreif zu machen.

Ende 2012 soll in New Mexico eine Anlage zur Herstellung einer Erstserie von 4.000 Stück dieser Nuklearbatterien errichtet werden. Diese Modelle sollen dann schon 70 MW thermische und mittels einer Dampfturbine daraus 25 MW elektrische Energie erzeugen können. Die Entwicklung wird von der Altira Group LLC aus Denver, Colorado, finanziert.

Zink/Kohle-Batterie

Die Firma Ever Ready Ltd. arbeitet an der Weiterentwicklung einer Zink/Kohle-Batterie, welche klein, und während Fahrpausen auch regenerationsfähig ist. Ihre Leistung ist um 32,2 % besser als die der normalen Akkumulatoren, womit eine derartige Batterie etwa so stark ist wie eine immerhin doppelt so teure Alkali/Mangan-Batterie.

Von der Firma Mazda stammt die quecksilberfreie ‚Green Power’– Batterie auf Zink/Kohle-Basis, bei der ein organischer, flourierter Inhibitor verwendet wird. Der Zinkbecher dieser Batterie besteht aus der bei Trockenelementen üblichen Blei-Kadmium-Zink-Legierung mit einem Kadmiumgehalt von 0,06 % und einem Bleigehalt von 0,2 – 0,3 %.

Zink/Chlor-, Zink/Halogen- und Zink/Brom-Batterien

Neben den nur bei 0°C funktionierenden Zink/Chlor-Batterien sind ferner die Zink/Halogen- und die Zink/BromBatterien zu erwähnen, welche sowohl von Exxon, als auch von der Österreichischen Studiengesellschaft für Energiespeicher und Antriebssysteme (SEA) entwickelt werden, und die bei einer dreifachen Leistung nur ein Drittel der herkömmlichen Bleiakkumulatoren kosten. Ein Pkw hat damit bis zu 300 km Reichweite bei einer Geschwindigkeit zwischen 80 km/h und 110 km/h – außerdem sind bei diesen Batterien bis zu 1.500 Ladezyklen möglich.

Die Zink-Brom-Variante arbeitet sogar bei normaler Umgebungstemperatur, ihre Elektroden sind aus elektrisch leitfähiger Polymerfolie gefertigt, die im Leistungs- und Gewichtsvergleich dreimal besser abschneidet als eine übliche Bleibatterie. Für die Entwicklung dieser Batterien wendet die SEA bis 1982 knapp 6 Mio. DM auf.

Zink/Chlorid-Batterie

Anfang 1980 stellt die Firma Gulf & Western Industries in New York ein neues Zink/Chlorid-Batteriesystem vor, das in einen VW-Golf und einen japanischen Kleintransporter eingebaut wird. Der Personenwagen mit vier Insassen soll pro Batterieladung eine Reichweite von 300 km bei einer Geschwindigkeit von 90 km/h besitzen. Die Batterien müssen mindestens alle 6 Stunden wieder aufgeladen werden. Die Versuche ergeben einen weitgehend störungsfreien Betrieb über 300.000 km! Die grundlegende Problematik besteht bei dieser Batterieform in der Aggressivität des Chlorgases und seiner heftigen Reaktion mit Zink. Das Problem wird durch neue Ventile, Pumpen, Kühlelemente und einen elektronischen Regler gelöst. Eine starke Startbeschleunigung kann allerdings nicht erreicht werden.

Zink/Sauerstoff-Batterie

Eine möglicherweise grundlegende Neuorientierung bei der Idee, elektrischen Strom in Batterien zu speichern, entstammt dem kalifornischen Forschungsinstitut SRI International and Lawrence Berkeley Laboratories, wo 1995 ein mit 4 Mio. $ finanziertes Programm bekannt gegeben wird: Dabei soll statt dem Aufladen oder Austauschen von entladenen Akkumulatoren die verbrauchte Flüssigkeit von Zink/Sauerstoff-Batterien gegen frische (d.h. frisch aufgeladene) Elektrolyt-Substanz ausgetauscht werden!

Das ‚Strom-Tanken’ würde dann nicht länger dauern als das bisherige Benzin-Zapfen – und nur etwa 10 % teurer sein. Ich hatte mich selbst schon seit Jahren gefragt, warum man nicht in dieser Richtung forschen würde – doch bis auf diese einzelne Meldung konnte ich (bis Ende 2006) keine weiteren Neuigkeiten finden.

Zink/Luft-Batterie (ZOXY)

1993 beginnt die Firma ChemTEK auf Initiative des Badenwerks und der Stadtwerke Karlsruhe mit der Entwicklung einer neuartigen Zink/Luft-Batterie. Deren Prinzip war schon Thomas Edison bekannt, der bereits damals damit experimentiert hatte. 1997 wird das Ergebnis in Karlsruhe vorgestellt: Die sog. ZOXY-Batterie (Abkürzung für Zink-Oxygen) ist bei gleichem Energiegehalt um 80 % leichter als herkömmliche Bleiakkus, sie hat eine Energiedichte von 150 Wh/kg.

Zelle einer Zoxy-Batterie

Zelle einer
ZOXY-Batterie

Ein Kleinbus-Testfahrzeug erreicht in den USA einen Reichweiterekord von 760 km – und dies bei Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt. Die Entwicklungskosten von 2,1 Mio. DM übernimmt zum größten Teil die Energiestiftung Baden-Württemberg. Die mit Kali-Lauge gefüllten ZOXY-Zellen sind so leicht, weil neben einer Zink-Annode Luftsauerstoff als Kathode benutzt wird. Problematisch wirkt sich bisher der Ladevorgang aus, bei dem sich auf der Zinkelektrode feine Zinknadeln bilden, die über kurz oder lang zu Kurzschlüssen führen. Die Batterie läßt sich bislang nur 10 mal elektrisch aufladen, bevor die Zinkelektroden regeneriert werden müssen.

Parallel zur ChemTEK arbeiten auch die Firmen Zenith Data Systems und AER Energy Ressources an kleinen  Zink/Luft-Batterien, die Laptops mit bis zu 20 Stunden Strom versorgen sollen. Als Preis werden 300 DM bis 400 DM genannt.

Die israelische Firma Electric Fuel Ltd. verzichtet aus den o.g. Gründen auf die elektrische Aufladung ihrer Zink/Luft-Batterien, die immerhin eine Energiedichte von 200 Wh/kg erreichen, statt dessen werden die oxidierten Zinkelektroden durch ein aufwendiges mechanisch-chemisches Verfahren regeneriert, um die Batterie wieder einsatzbereit zu machen. Allerdings taugt das System nur für Fuhrparks mit Werkstattanschluß, weil die Batterien nach Gebrauch komplett gewechselt werden müssen. Bei dieser Batterie oxidiert Zink in Kalilauge unter Einfluß von Sauerstoff zu Zinkoxid. Die dabei freigesetzte Energie wird in Strom umgewandelt.

Die Praktikabilität dieser Batterien wird ab Ende 1995 in einem Flottenversuch mit 64 Elektro-Fahrzeugen der Deutschen Post in Bremen erprobt. Das Zinkoxid aus den Batterien wird in einer von den Stadtwerken Bremen betriebenen Regenerationsanlage unter Einsatz von Energie elektrolytisch wieder zu Zink und kann erneut für Batterien verwendet werden.

1999 präsentiert auf der Hannover Messe auch das Schweizer Paul-Scherer-Institut eine ähnliche Zink/Luft-Batterie.

Die QuantumSphere Inc. (QSI) aus Santa Ana, Kalifornien, ein führender Hersteller von Nano-Metallen und Legierungen für portable Energielösungen, kündigt im Oktober 2006 die Einreichung von zwei Patenten zur Materialzusammensetzung einer papierdünnen Elektrode an, welche die Effizienz der Kathoden von Zink/Luft-Batterien um 320 % steigert. Im Allgemeinen besitzen diese Batterien die 3 – 6fache Kapazitiät gleichgroßer Alkali-Zellen. Sie nutzen für ihre Kathode Luftsauerstoff, während die Annode aus Zink und einem alkalischen Elektrolyt besteht. Die Energiekapazität hängt dabei nur von der Menge des Zinks in der Anode ab. Bislang sind Zink/Luft-Batterien als Hörgeräte-Batterien verbreitet.

Als spin-off der norwegischen SINTEF, einem der größten industriellen Forschungs-Institute in Europa, wird 2004 die ReVolt Technology AS gegründet, die 2006 ihren Haupsitz nach Stäfa in der Schweiz verlegt. Auch dieses Unternehmen beschäftigt sich in erster Linie mit wiederaufladbaren Zink/Luft-Batterien.

Zink/Mangandioxid-Batterie

Eine mobile Stromquelle für Notfallsituationen kommt Mitte 2008 auf den Markt: Die Juicebar-Batterie des britischen Unternehmens Juicebar Energy aus Lincolnshire für umgerechnet 5 €, die herstellerseitig auf 5 Jahre garantiert nichts von ihrer ursprünglichen Ladung verliert, ist eine sehr praktische Einweglösung. Mit dem Ladeblock kann man ein Handy für 60 Minuten Telefonate oder 480 Minuten Handy-Standby aufladen. Danach kann man die Batterie einfach entsorgen, denn sie nutzt eine Zink/Mangandioxid Chemie mit einem wässrigen Elektrolyten ohne Zusatz von Quecksilber, Cadmium, Blei, sechswertigem Chrom oder organischen Lösungsmitteln.

Zink/Silber-Batterien

Aufgrund der seit 2003 wiederholt aufgetretenen Massen-Probleme mit explodierenden oder in Flammen aufgehenden LiIo-Akkus, die Anlaß für aufwendige und teure Rückrufaktionen sind, entwickelt die Firma Zinc Matrix Power mit ihrer Zink/Silber-Batterietechnologie eine sehr viel sicherere Lösung, die auf wässrigen Lösungen beruht und kein Lithium oder brennbare Flüssigkeiten enthält. Die neuen Batterien werden im Oktober 2006 präsentiert.

Zink/Silber-Akku

Zink/Silber-Akku

Verglichen mit zylindrischen Lithium-Ionen-Zellen speichern Zink/Silber-Batterien etwa 25 % mehr Energie. U-Boote der US-Marine werden schon seit Jahren mit Silber-Zink-Akkus ausgestattet, da hier die hohen Kosten aufgrund der Verwendung von Silber und der kurzen Lebensdauer nicht so ins Gewicht fallen. Für den kommerziellen Markt plant das Unternehmen demgegenüber die Kosten mit einem Recycling-Programm zu senken, das die Wiederverwendung des Silbers und Zinks erlaubt.

Dem Problem der niedrigen Zyklen-Zahl begegnet Zinc Matrix Power durch die Einbettung des Zink-Granulats in einem leitfähigen Polymer, was auch die Sicherheit der Batterien erhöht.

Weitere Batterie-Technologien

Batterie mit Shape-Shifter-Funktion

Ein alter Traum von Ingenieuren im Flugzeug- und Hubschrauber-Bau sind Flügel und Rotoren, die aus Stoffen bestehen, deren Form sich mittels elektrischer Impulse verändern lassen, da eine solche Technik Reichweite und Treibstoffeffizienz dieser Luftfahrzeuge deutlich steigern könnte. Die bisherigen Arbeiten auf dem Gebiet von Batterien mit Shape-Shifter-Funktion basierten zumeist auf piezoelektrischen Effekten, bei denen sich Materialien aufgrund elektrischer Impulse verformen. Am MIT entschied man jedoch, daß sich die Piezo-Technik nicht für ‚Heavy Duty’-Anwendungen im Luftfahrzeugbau eigne.

Forscher am MIT untersuchen 2005 daher den neuen Ansatz, der auf dem (eigentlich negativen) Phänomen basiert, daß Batterien auf längere Sicht ihren Geist aufgeben: Wird eine Batterie geladen, bewegen sich die Ionen von einer Elektrode zu anderen, was dazu führt, daß sich das Elektrodenmaterial ausdehnt. Entlädt sich die Batterie jedoch wieder, zieht es sich erneut zusammen. Diese Tatsache führt dazu, dass sich die innere Struktur einer Batterie langsam auflöst – sie bricht auseinander.

Die Forscher suchen daher nach Materialien, die diesen Effekt nicht kennen. Als man durchrechnet, wie viel mechanische Energie der Ausdehnungsprozeß freisetzt, zeigte sich, daß Batterien im Vergleich zu Piezo-Technik das Zehnfache an Energie leisten können, mit den Nachteil der geringen Geschwindigkeit allerdings. Piezo-Technik dagegen kann sich mit mehreren Tausend Zyklen pro Sekunde bewegen, während die Ausdehnung einer Batterie von der Zeit bestimmt wird, die das Aufladen braucht – von etwas über eine Minute bis hin zu einer Stunde. Die Forscher wollen dies nun verbessern, indem sie die Zeit reduzieren, die es dauert eine Batterie aufzuladen. Außerdem arbeitet man an einem Design physisch stärkerer Batterien, welche die mechanische Energie der Elektroden besser nutzen können. Das Endziel ist der Einbau einer ganzen Sammlung von Batterien in ein Rotorblatt, das dann selektiv ‚gemorpht’ werden kann.

Solche Shape-Shifter-Funktionen könnten es den Ingenieuren ermöglichen ein Problem zu vermeiden, das den Hubschrauberbau schon lange plagt: Die Fluggeräte sind für zwei diametral verschiedene Dinge ausgelegt, den Schwebe- und den Bewegungszustand. Das führt dazu, daß sie beides nicht besonders gut können. Wenn man die Form der Rotoren im Flug nun verändern könnte, ließen sich beide Funktionen optimieren. Auch im Flugzeugbau könnte die Veränderung der Flügelform im Flug Verbesserung bei Leistung und Effizienz bringen. Andere Einsatzmöglichkeiten des Batterie-basierten Formwandlers: Solarzellen, die sich aktiv nach der Sonne wenden oder Satelliten-Komponenten, die sich im Weltraum selbständig aufrichten.

Betavoltaische Zelle (QynCells)

Betavoltaik ist ein mit der Photovoltaik vergleichbares Verfahren zur direkten Umwandlung von Beta-Strahlung in elektrische Energie mit Hilfe von Halbleitern.

Betavoltaische Zellen nutzen das Radioisotop Tritium als Energielieferant, das einem nur sehr langsamen Zerfallsprozeß ausgesetzt ist. Der Strom wird erzeugt, indem Betateilchen kontinuierlich an umgebende Halbleiter-Schichten abgegeben werden. Da bei dieser Reaktion keine Wärme entsteht, eignen sich die Batterien auch für Laptops oder Handys.

Die von der CIA im September 1999 gegründete Beteiligungsgesellschaft  In-Q-Tel soll die Entwicklung kommerziell verwertbarer Techniken anschieben, die für die nationale Sicherheit und die ‚Intelligence Community’ nützlich werden könnten. Präsident des Unternehmens ist Gilman Louie, ein ehemaliger Videospiel-Entwickler (Falcon-F16-Flugsimulator), der durch seine Rolle bei der Verbreitung des Computerspiels Tetris in den USA bekannt wurde. Das ursprünglich als fünfjähriges Experiment angelegte Projekt bekommt durch den 11. September 2001 weiteren Auftrieb.

Ende 2005 erfährt man, daß das bisher größtenteils auf Vorhaben zum ‚Knowledge Management’ ausgerichtete Unternehmen sein Portfolio nun auch auf alternative Energiequellen ausdehnt. Als erste Firma wird Qynergy unter Vertrag genommen. Das Unternehmen befasst sich mit Lösungen für eine stabile Energieversorgung von Mikrosystemen und MEMS (micro electro-mechanical systems) über lange Zeiträume. ß-Strahler wie 33P (Halbwertszeit: 25,3 Tage) oder 147Pm (Halbwertszeit: 2,62 Jahre) wandeln die Energie der freigesetzten Elektronen an einem Halbleiter (z.B. Siliziumcarbid) in Elektrizität um. Diese betavoltaischen ‚QynCells’ sind flexibel skalierbar – von Kubikmillimetern zu Kubikzentimetern, mit Leistungen von Mikrowatt bis Milliwatt.

Im Juli 2005 wird mir eine Innovation des bereits 2001 gestorbenen Dr. Paul Browns bekannt, die unter dem Namen Resonant Nuclear Battery läuft. Der Forscher hatte sich seit den 1980ern mit der Weiterentwicklung des betavoltaischen Effekts beschäftigt, und im Netz befinden sich neben den Patenten auch diverse Berichte und Erklärungen dazu.

2007 meldet das U.S. Air Force Research Laboratory einen Durchbruch bei der Wirkungsgradsteigerung von Betavoltaischen Zellen, so daß zukünftige Batterien mit einer einzigen Ladung etwa 30 Jahre lang funktionieren können. Die Forscher betonen, daß dabei weder Strahlung noch giftiger Abfall produziert wird. Die Markteinführung soll in 2 – 3 Jahren erfolgen.

Magnesium-Batterie

Ein israelische Forscherteam entwickelt Ende 2000 eine Magnesium-Batterie, deren Pluspol aus einer Molybdän-Schwefel-Verbindung besteht, während als Batterieflüssigkeit eine ungiftige Magnesium-Aluminium-Verbindung aus der Stoffklasse der Alaune genutzt wird.

Nano-Batterie

Eines der ersten Patente (US 6.528.211) in diesem Sektor wird bereits am 24.04.2000 von Forschern des japanischen Unternehmens Kawasaki eingereicht. Dabei handelt es sich um Elektroden-Material, das aus einem Verbundwerkstoff besteht, welcher von Faser-Zusammenballungen mit Mikro-Poren durchsetzt ist. Diese Zusammenballungen bilden sich durch verschlungene Massen von Kohlenstoff-Fasern, die aus einem Kohlenstoff-Dampf heraus zum Wachsen gebracht werden.

2002 arbeitet ein Team an der University of Florida mit Finanzierung des U.S. Office of Naval Research am Einsatz von Nano-Werkstoffen zur Verkleinerung und insbesondere zur Gewichtsreduzierung von Batterien. Drei Jahre später kreuzen Wissenschafter des Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems (LEES) am Massachusetts Institute of Technology (MIT) die altbekannte Kondensatoren- mit der neuen Nano-Technologie. Das Problem von Kondensatoren besteht darin, daß ihre Leistungsfähigkeit von der Elektrodenfläche abhängt, und deshalb sehr große Flächen benötigt werden, um z.B. die Speicherwerte von herkömmlichen chemischen Energieträgern zu erreichen.

Im Dezember 2005 stellen die MIT-Forscher einen wiederaufladbaren Nano-Akku vor, dessen Elektroden von feinsten Nano-Fasern aus Kohlenstoff, etwa 30.000 Mal dünner als ein menschliches Haar, wie ein Pelz umkleidet sind und damit für die nötige große Oberfläche sorgen. Sie sind dabei etwa 100.000 Mal länger als ihr Durchmesser.

Nanoröhrchen

Nanotubes

Man geht davon aus, daß der angestrebte Akku, der unter dem Namen Ultra-Battery firmiert, bis zu mehrere hunderttausend Mal aufgeladen werden kann, wobei das Aufladen künftig nicht mehr mehrere Stunden, sondern nur noch wenige Sekunden dauern soll. Die immense Steigerung der Stromspeicherfähigkeit wird damit erklärt, daß die Speicherkapazität des elektrischen Feldes auf eine atomare Ebene angehoben wird.

In Rußland arbeiten Forscher des JINR Scientific Centre for Applied Research (SCAR) 2005 ebenfalls an Nano-Batterien, wobei hier Metallpartikel in Nano-Größe in eine Polymer-Matrix eingesetzt werden.

2006 wird aus Frankreich gemeldet, daß Wissenschaftler zweier Universitäten mittels nanotechnologischen Methoden eine Elektrode für Lithium-Batterien entwickelt haben, die wesentlich kraftvoller und dabei auch noch kleiner ist als die herkömmlichen Modelle. Zum Tragen kommen dabei sogenannte Nanorods, die als Anker des aktiven Material dienen, welches diese Fibern umhüllt. Die Fläche von 1 cm2 der Elektrode wird durch die Nanorods auf 50 cm2 gesteigert.

Anfang 2007 melden Wissenschaftler der Universität von Tel Aviv, daß sie im Laufe einer vierjährigen Forschung eine neuartige Lithium-Ionen 3D-Nanobatterie entwickelt haben. Sie nutzen dabei ein Silikon- oder Glassubstrat, in dem eine Matrix aus 50 Mikron durchmessenden und 500 Mikron tiefen Löchern entsteht, von denen jedes einzelne wie eine unabhängige Mikrobatterie mit einer Leistung von 8 – 10 Mikrowatt funktioniert. Eine Fläche von 1 cm2 dieser Nanobatterie leistet dadurch 150 – 200 mW. Das System gilt als besonders sicher, weil selbst Kurzschlüsse in einigen wenigen Mikro-Batterien die Gesamtkapazität kaum signifikant verringern.

Einsatzbereiche ihrer Batterie sehen die Wissenschaftler neben dem Konsumbereich auch insbesondere bei der RFID-Technologie (Radio Frequency Identification), bei Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS) und bei dem sogenannten ‚smart dust’ – winzig kleine, unterhalb der Sehbereichs angesiedelte halbautonome Nanomaschinen, die für sehr unterschiedliche Einsatzgebiete konzipiert werden, darunter natürlich auch Überwachung und mititärische Anwendungen.

Extrudierte Nanofasern

Extrudierte Nanofasern

Im Oktober 2007 erscheinen in den Blogs Fotos zukünftiger US-Soldaten, in deren Uniformstoffe Nano-Fasern eingewoben sind, welche die Funktion von Energiespeichern und -lieferanten übernehmen können. Machbar wird diese Entwicklung durch eine neue Extrudermaschine, die in der Lage ist, verschiedene Materialien auf Nanomaßstab miteinander zu organisierten Fasern zu verbinden.

Ende 2007 vermelden auch Forscher des Department of Materials Science and Engineering der Universität Stanford die Entwicklung einer Nanodraht-Batterie auf Lithiom-Ionen-Basis, die eine 10-fach größere Speicherkapazität als die herkömmlichen Systeme haben soll. Ein Laptop ließe sich damit rund 20 Stunden betreiben, bevor seine Batterie wieder aufgeladen werden muß. Die Nanofasern aus Silizium bilden eine wichtige Alternative zu den bisherigen Graphit-Annoden.

Nukleare Mikrobatterie

Thermoelektrische Generatoren auf der Basis von Radioisotopen (RTG, Radioisotope Thermoelectric Generators) werden seit den 1960er Jahren in Dutzenden von Raumfahrtmissionen eingesetzt. RTGs verwandeln mittels des Seebeck-Effekts Wärme in Elektrizität. Die meisten der etwa waschmaschinengroßen RTGs der NASA verwenden Plutonium-238, dessen hochenergetische Strahlung eine enorme Wärme produzieren kann. Nachteilig ist, daß sich RTGs nicht in kleinem Maßstab bauen lassen.

In den physischen Größenordnungen von MEMS (micro electro mechanical systems) wird das Verhältnis zwischen der Oberfläche des Objekts und seinem Volumen sehr groß. Die relativ große Oberfläche verhindert eine ausreichende Reduzierung von Wärmeverlusten, wodurch die Arbeitstemperatur zum Betreiben eines RTG nicht aufrechterhalten werden kann.

Seit einigen Jahren arbeiten Forschungsgruppen der Cornell-Universität und der Universität Wisconsin-Madison daher an Mikrobatterien, die ihre Energie aus dem radioaktiven Zerfall künstlicher Radioisotope wie Nickel-63 oder Tritium beziehen. Eine winzige Menge Nickel-63 (Halbwertszeit ca. 100 Jahre) oder Tritium (Halbwertszeit 12 Jahre) reicht aus, um ein MEMS über längere Zeit zu betreiben. Die während des Zerfalls freigesetzten Beta-Partikel durchdringen in den meisten Feststoffen und Flüssigkeiten nicht mehr als 25 Mikrometer, so daß die Batterie auch in einer einfachen Plastikverpackung sicher eingebaut werden kann.

Als kommerzielle Anwendungsbereiche gelte Mobiltelefonen oder PDAs. Die kleinen Nuklearbatterien werden zwar nicht genug Strom für den Betrieb selbst liefern können, aber die Bündelung einiger Einheiten könnte deren Ladungen in die verwendeten konventionellen chemischen Batterien einspeisen und so deren Betrieb ohne ein erneutes externes Aufladen über Monate gewährleisten – oder dieses sogar gänzlich überflüssig machen.

Einer der enthusiastischsten Unterstützer der Energiequellen-Miniaturisierung ist die DARPA (Defense Advanced Projects Agency), die bereits von zahlreichen Anwendungen auf dem Schlachtfeld träumt. Sich selbst mit Energie versorgende, zuckerwürfelgroße Sensoren könnten über das Gelände verstreut werden, um dort über Monate Bodenvibrationen und Temperaturschwankungen aufzuzeichnen und die Daten an tieffliegende Flugkörper zu senden. Schließlich sollen nukleare MEMS auch zur Energieversorgung sensorbestückter Überwachungs-Mikroflugzeuge eingesetzt werden.

Die im September 2004 vorgestellten nuklearen Mikrobatterien benötigen keine Betankung oder Wiederbeladung und können entsprechend ihrer Halbwertszeit trotzdem genug verwertbare Energie liefern. Die Effizienz der Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie ist wie bei großen Kernkraftwerken sehr gering (ca. 4 %) aber die extrem hohe Energiedichte des radioaktiven Materials trotzdem eine signifikante Energieerzeugung möglich macht. Im Rahmen des sogenannten Radio Isotope Micro-power Sources-Projekts, das Teil eines neuen DARPA-Programms ist, wird daran gearbeitet die Effizienz auf 20 % zu erhöhen.

Eine Form der bislang entwickelten Mikrobatterien wandelt die Energie der emittierten Teilchen der radioaktiven Quelle direkt in elektrischen Strom um: Eine kleine Menge Nickel-63 wird in die Nähe einer Silizium-p-n-Sperrschicht – einer Diode – plaziert. Die emittierten Beta-Partikel ionisieren die Atome in der Diode. Die gebildeten Elektronenpaare und Löcher fließen von der Sperrschicht weg und produzieren so einen Strom. Mit 0,1 Millicurie Nickel-63 können ca. drei Nanowatt erzeugt werden, genug für Applikationen wie nanoelektrische Speicher und einfache Prozessoren für ökologische oder militärische Sensoren, wie sie gegenwärtig entwickelt werden. Eine Kaskadierung mehrerer Ausleger soll bis zu 200 Nanowatt bei 3,3 Volt ermöglichen.

Die Erhöhung der Anzahl von Auslegern und deren Schaltung in Reihe kann den Betrag der erzeugten Energie stark erhöhen. Im Jahr 2004 wird bereits ein briefmarkengroßes Array mit einer Million Auslegern entwickelt. Das Ein-Ausleger-System generiert Pulse mit einer Spitzenleistung von 100 Milliwatt; bei vielen Auslegern und Nutzung der Pulsenergie über Stunden können Mikrobatterien beträchtliche Strommengen in Batterien einspeisen.

Eine Herausforderung bildet allerdings die Verfügbarkeit preiswerter Radioisotope, die einfach in elektronische Geräte integriert werden können. Ein Millicurie Nickel-63 kostet ca. 25 US $, viel zu viel für eine Massenfertigung. Eine preiswerte Alternative ist Tritium, das in einigen Kernreaktoren in großen Mengen als Nebenprodukt anfällt. Die für eine Mikrobatterie benötigte Menge kostet hier nicht mehr als einige Cents.

Das Nuklearbatterieprojekt der Universität Rochester entwickelt 2005 eine verbesserte Produktionsmethode für nukleare Batterien, welche diese schon in ihrer Form als Prototypen 10 Mal effizienter macht als bisherige Nuklearbatterien, wie sie derzeit insbesondere in U-Booten eingesetzt werden. Die Forscher hoffen, mit weiteren Verfeinerungen dieses Prototyps eine sogar 200-fache Effizienz erreichen zu können.

Die verwendete Methode der Betavoltaik (s.o.) gibt es zwar bereits seit einem halben Jahrhundert, doch mit der neuen Technologie, bei der die vorhandene Technik von zweidimensionalen auf dreidimensionale Modelle umgestellt wird, und gleichzeitig bei den chemischen Prozessen auf Entwicklungen aus der Solartechnik zurückgegriffen wird, soll sich aus den selben Effekten wesentlich mehr Energie gewinnen lassen.

Papier-Batterie

Eine relativ junge Entwicklung bilden die sogenannten Papier-Batterien, die diesen Namen ihrer äußerlichen Ähnlichkeit mit Papier verdanken. Sie sind extrem flach, elastisch und lassen sich biegen oder knicken.

Die erste Erwähnung datiert auf Ende 2005, als Forscher des japanischen Unternehmens NEC über die Entwicklung ihrer Organic Radical Battery (ORB) berichten, die nur 0,3 mm dick ist und sich innerhalb von 30 Sekunden wiederaufladen läßt. Das Material der ORB-Zelle besteht aus einem umweltneutralen Gel-Elektrolyten, und pro cm2 leistet die Zelle 1 mWh.

Der organische Akku mit einem Gewicht von 88 g und Abmessungen von nur 55 x 43 x 4 mm soll bis zu 35 W bereitstellen und in der Lage sein, mit vier in Reihe geschalteten Einheiten kurzzeitig einen typischen 140 W PC zu versorgen und diesen im Falle eines Stromausfalls sogar selbständig herunterzufahren. Die Akkus nutzen einen elektro-chemischen Prozeß organischer Radikalverbindungen, den NEC erstmals 2001 vorgestellt hatte.

Ende 2006 berichten koreanische Forscher des Unternehmens Rocket über eine ähnliche Entwicklung unter dem Namen Paper Power Cell.

Wissenschaftler der japanischen Waseda University veröffentlichen im März 2007 die Meldung, daß man eine neue Batterie auf Grundlage eines Redox-aktiven, organischen Polymers entwickelt habe, die sich in weniger als einer Minute aufladen läßt und eine Lebensdauer vor über 1.000 Zyklen besitzt. Die Zelle aus Nitroxid-Radikalen ist 200 nm dünn und kann sich nicht selbst entladen.

Waseda Polymer-Batterie

Polymer-Batterie
von Waseda

Im April 2007 beschreibt Gilles Dennler, ehemals Professor am Institut für Organische Solarzellen der Johannes Kepler Universität in Linz, und inzwischen bei dem Solarenergie-Startup Konarka Technologies in Lowell, Massachusetts, beschäftigt, die Entwicklung einer flexiblen Batterie, die nicht mehr aufgeladen werden muß. Sie ist das Ergebnis einer dreijährigen gemeinsamen Forschung von fünf Ländern im Rahmen des European Polymer Solar Battery Project.

Der Trick ist die Kombination einer organischen Dünnschicht-Solarzelle mit einer neuartigen Polymer-Batterie, mit deren Hilfe sich die Batterie ständig selber wiederaufladen kann, sobald sie dem Licht ausgesetzt wird. Prototypen der Solar-Batterie wiegen nur 2 g, sind weniger als 1 mm dick und liefern etwa 0,6 Volt.

Die genutzte organische Solarzelle ist die von Konarka selbst entwickelte Kombination elektrisch leitender Polymere und Fullerene mit einer Lebensdauer von rund 3.000 Stunden, während die ultra-dünne Lithium-Polymer-Batterie von dem deutschen Forschungspartner VARTA-Microbattery entwicklet wird. Diese Zell ist nur 0,1 mm dünn und kann mehr als 1.000 Mal wiederaufgeladen werden – Einsatz findet sie bereits im neuen iPod von Apple. Die Rechte an der neuartigen Kombination von Solarzelle und Speicherzelle (wohlgemerkt, eine Innovation, für die es fünf Länder gebraucht hat!!) liegen bei Konarka, das die Batterie aber nicht selbst vermarkten möchte, warum auch immer…

Forscher des Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York, stellen im August 2007 eine weitere Papier-Batterie vor, die ebenfalls völlig ungiftig ist. Im Gegensatz zu früheren Versuchen durchbrechen sie den typischen Aufbau einer Batterie, bei der Elektrolyte und Elektroden durch eine Zwischenschicht getrennt werden.

Papier-Batterie von Rensselaer

Papier-Batterie von Rensselaer

Stattdessen konstruierten die Wissenschaftler ein Kompositmaterial. Dabei werden Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie ein Elektrolyt in ein Papier-Substrat eingebracht, wobei sich die Komponenten molekular miteiander verbinden. Das Ergebnis aus 90 % Zellulose wiegt genau soviel wie Papier, sieht so aus und fühlt sich auch so an. Es kann gerollt, gefaltet und sogar gestapelt werden, um mehr Leistung zu erzielen. Da das Papier biologisch mit menschlichen Gefäßen kompatibel ist, läßt es sich für medizinische Implantate einsetzen – zum Aufladen kann die Batterie menschlichen Schweiß oder Blut nutzen.

Die Arbeitstemperatur dieser Technologie beträgt zwischen minus 78°C und plus 150°C, die Zahlen variieren in den verschiedenen Quellen geringfügig.

Plastik- und Polymerbatterien

Im Rahmen einer japanisch-amerikanischen Zusammenarbeit werden sog. Plastikbatterien entwickelt. Der Akkumulator besteht hier aus Schichten einer Polyacetylen-Folie, die mit dem Elektrolyten (einer Lösung aus Lithiumperchlorat und Popylencarbonat) in einem Glasgehäuse eingeschlossen sind. Diesen sehr leichten Polymerbatterien wird eine glänzende Zukunft versprochen.

Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) in Itzehoe entwickelt gemeinsam mit der Christian-Albrecht-Universität Kiel einen Leichtbau-Akkumulator aus dünn beschichteten Folien, in dem pastenartige Festkörperelektrolyte anstelle der sonst üblichen Flüssigsäuren zum Einsatz kommen. 1998 wird das Patent angemeldet, ein erstes Funktionsmuster vorgestellt und die Pilotfertigung vorbereitet. Man betont besonders die gesundheitliche Unbedenklichkeit der Lithiumsalze. Problematisch ist allerdings noch die Haltbarkeit der Akkus, die es zu optimieren gilt.

Unter dem Begriff Plastik-Batterien werden teilweise auch die bereits oben behandelten (Lithium-)Polymer-Batterien gemeint. Eine weitere Version präsentiert die Brown University in Providence, Hauptstadt des US-Bundesstaates Rhode Island, im September 2006. In der sogenannten Hybrid-Batterie wird der Strom nicht mehr durch Metalle, sondern durch leitende Kunststoffe erzeugt. In dem System werden die langfristige Speicherkapazität einer Batterie mit der schnellen Ladungsaufnahme und -abgabe eines Kondensators gepaart. Zum Einsatz kommen dünne Streifen von mit Gold-beschichteter Kunststoff-Folie, deren Spitzen mit Polypyrrol und einer Substanz umhüllt sind, welche die Leiteigenschaften verändern. Die Batterie habe dadurch die doppelte Speicherkapazität eines elektrischen Double-Layer-Kondensators – und mehr als 100-fache Leistung einer Standard-Alkaline-Batterie.

Einen Monat später stellt auch die Firma Technology Research Laboratories Inc. aus Port Orange, Florida, eine Batterie vor, die fast ausschließlich aus Kohlenstoff- und Kunststoff-Materialien besteht.

Nicht ganz klar herausfinden konnte ich, was es mit den sogenannten L-Cells der Firma Deeya Energy aus Fremont, Kalifornien, auf sich hat, die ebenfalls aus umweltfreundlichen Materialien bestehen und vollständig recyclebar sind. Die Lebensdauer beträgt laut Firmenangaben 7 Jahre, nach denen die Batterie mit minimalen Kosten ‚renoviert’ wird, um weitere 7 Jahre eingesetzt zu werden, ad infinitum. Die L-Zellen sind wesentlich billiger als NiMH- oder Li-Ion-Akkus, können schnell geladen werden (in 2 h für 4 h h Stromabgabe), benötigen fast keine Wartung und sind außerdem Temperaturunabhängig.

Radioaktiver piezoelektrischer Generator

Im Gegensatz zu Nuklearbatterien produzieren radioaktive piezoelektrische Generatoren die Elektrizität indirekt, denn die Strahlungsenergie wird hier zunächst in mechanische Energie und erst anschließend in oszillierende Pulse elektrischer Energie umgewandelt.

Infolge der gepulsten Energieabgabe ist die unmittelbare Leistung viel höher als bei direkter Wandlung. Die Beta-Partikel treten aus der radioaktiven Quelle (Nickel-63-Film) aus und treffen auf eine Kupfer-Folie, in der sie sich ansammeln und diese negativ aufladen. Die elektrostatische Anziehung zwischen Kupfer-Folie und der radioaktiven Quelle verbiegt den Silizium-Ausleger und die auf seiner Oberseite angebrachte piezoelektrische Platte solange, bis die Kupfer-Folie die radioaktive Quelle berührt. Nun fließen die Elektronen zurück und die Anziehung ist beendet – und der Ausleger schnellt zurück und wird dabei in Schwingungen versetzt. Die mechanische Belastung verschiebt dabei die Ladungsverteilung innerhalb der piezoelektrischen Kristallstruktur und erzeugt so einen elektrischen Strom. Dieser Lade-Entlade-Zyklus des Auslegers wiederholt sich kontinuierlich. Die erzeugten elektrischen Pulse können gleichgerichtet und geglättet werden um Gleichstrom zu erzeugen. Wird ein magnetisiertes Material am Ausleger befestigt, kann durch dessen oszillierende Bewegungen auch innerhalb einer Spule Elektrizität erzeugt werden.

Eine andere Anwendung ergibt sich aus der direkten Nutzung der mechanischen Energie ohne Umweg über die Umwandlung in Elektrizität. Die Bewegung von auf Auslegern basierenden Systemen könnten MEMS-Motoren, -Pumpen und andere mikro-mechanische Geräte betreiben.

Redox-Flow-Batterie

In Deutschland arbeitet Anfang 2008 das Institut für Stromrichtertechnik und elektrische Antriebe der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen an einem Redox-Flow-System. In einem Filmbericht darüber im Februar 2008 wird betont, daß das System weitgehend verschleißfrei arbeitet und daß die benötigte Flüssigkeit nur alle 40 Jahre ausgetauscht werden muß. Die Einheiten, an denen das Institut gemeinsam mit der Solon AG arbeitet, produzieren jährlich 10.000 kWh elektrische Energie – was dem Maximalverbrauch eines Vierpersonenhaushalt entspricht. Der Prototyp ist allerdings drei Mal so groß wie das angestrebte kommerzielle Produkt, außerdem müsse man noch an der Kostenfrage arbeiten.

Über den Einsatz der Technik in Verbindung mit Elektrofahrzeugen, die dann einfach mit dem energie-geladenenen Treibstoff ‚betankt’ werden, liest man allerdings noch kaum etwas.

Auf der Hannover-Messe im April 2008 stellen Fraunhofer-Forscher eine Redox-Flow-Batterie vor, mit der sich verschiedene Elektrodenmaterialien, Membranen und Elektrolyte flexibel testen lassen.

SuperCaps (Kondensator-Speicher)

Bereits 1992 melden US-Firmen die Entwicklung neuartiger Super-Kondensatoren, deren Kapazität rund 100.000 mal höher liegt als bei herkömmlichen Kondensatoren. Ein Doppelschicht-Kondensator, wie er auf deutsch genannt wird, besteht aus zwei Elektroden mit großer Grundfläche, die in eine dünne Elektrolytschicht eingetaucht sind. Man lädt einen derartigen Superkondensator, indem man eine Spannung anlegt, worauf sich an den Elektroden mehrere Moleküllagen geladener Ionen sammeln. Dabei handelt es sich allerdings um ein elektrostatisches Prinzip und nicht um einen chemischen Vorgang.

Supercaps MC2600 von Maxwell

Supercaps

Ursprünglich sollen diese Bauteile dazu dienen, hohe Spannungen für satellitengestützte Laserkanonen des SDI-Projektes zur Verfügung zu stellen. Diese Kondensatoren sollen nun Elektroautos jene Stromspitzen liefern, die beim Anfahren oder starken Beschleunigen nötig sind – wodurch die Batterielebensdauer um das 400fache verlängert wird. Die im kalifornischen Los Gatos entwickelten Bauteile bestehen aus einer Art metallischen Schwamms, dessen Oberfläche bei gleichem Volumen viel größer ist als die bei herkömmlichen Kondensatoren aus Metallfolien. 

Diese modernen Kondensatoren eigenen sich aber auch für die Speicherung von elektrischem Strom. Ihre Energiedichte wird mit 5 – 20 kWs/kg angegeben, und es sind Leistungen bis 10 kW erreichbar. Die Lebensdauer-Zyklenzahl beträgt ca. 1 Million und die Energieeffizienz liegt bei rund 95 %. Die Kosten belaufen sich auf 10 – 20 T€/kWh Speicherkapazität. 

Die SuperCaps können binnen drei bis fünf Minuten geladen werden und liefern während kurzer Zeit auch sehr viel Energie. Anders als bei einer herkömmlichen Batterie kommen hier keine chemischen Vorgänge zum Einsatz, sondern rein physikalische. Das verhindert auch jeden Abnutzungserscheinungen, wie man sie von herkömmlichen Akkus kennt. Herzstück der von Maxwell Technologies entwickelten SuperCaps ist eine Elektrode aus Aluminium. Darauf aufgebracht ist eine Schicht aus aktiviertem Kohlestoffpulver. Wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, haften die elektrischen Ladungen daran und bleiben – weil sie sich gegenseitig anziehen – eine Zeit lang dort gespeichert, auch wenn die Stromquelle abgenommen wird. Je kleiner der Abstand zwischen den Elektroden ist, und je größer deren Oberfläche, desto mehr Ladung kann gespeichert werden. Das Kohlestoffpulver auf einem einzigen SuperCap-Wickel hat eine Oberfläche von rund 130 Fußballfeldern.

Obwohl für den Betrieb eines Busses in Luzern fast 1.000 SuperCaps nötig sind, um genügend Energie für die Fahrt vom Verkehrshaus zum Bahnhof zu tanken, ist das Gesamtgewicht wesentlich kleiner als bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug. Außerdem gehen SuperCaps nicht kaputt und ihre Zyklenzahl liegt bei zwei Millionen! In Luzern versorgt bereits eine spezielle Testtankstelle die SuperCaps mit Energie. Das Laden geschieht ohne direkte Berührung per magnetischer Induktion (Stand 2004).

Daß SuperCaps besonders viel Energie speichern können, liegt an der großen Fläche der Elektroden (etwa aus Aktivkohle) und deren geringen Abstand im Nanometerbereich, was wie kleine Kanäle wirkt. Bisher war man allerdings der Meinung, daß es eine prinzipielle Grenze gibt: Wenn man annimmt, daß sich die Ionen vor der Oberfläche sammeln sollen, dürften die kleinen Kanäle eigentlich nicht kleiner sein als die Ionen selbst, vor allem, da diese aufgrund ihrer Ladung normalerweise auch noch von weiteren Molekülen umgeben sind, ihrer Lösungswolke.

Forscher aus den USA und Frankreich berichten jedoch im August 2006, daß es mit einem speziellen Verfahren gelungen sei, Kohlenstoffelektroden zu erzeugen, die Poren von nur 0,6 Nanometern Durchmesser enthielten. Als sie die Speicherfähigkeiten damit aufgebauter Doppelschicht-Kondensatoren untersuchten, zeigte sich, daß das veränderte Material nicht (wie zunächst vermutet) unnütz war, sondern daß es sogar 50 % mehr Ladung speicherte als das Standard-Material. Die Forscher vermuten, daß die Lösungswolke jedes Ions stark verzerrt wird, und das Ion dann trotzdem in die Poren paßt. 

Ein Forscherteam vom CNRS Research Centre on Divided Matter in Orléans findet heraus, daß sich aus Algen qualitativ gute und günstige SuperCaps herstellen lassen, die Materialien erfordern, die extrem rein sein müssen, eine lange Lebensdauer haben und hohe Energiedichten aufweisen. Im August 2006 präsentieren sie Ladungsspeicher aus dem Ausgangsmaterial Alginat – einer zelluloseähnlichen Verbindung aus Braunalgen – die große Energiemengen besonders schnell freisetzen können. Zur Herstellung der Kondensatoren wird das Alginat unter Sauerstoffausschluß auf 600°C erhitzt, und die Überreste mit Salzsäure und Wasser gewaschen, wodurch ein sauberes Pulver entsteht, das mit einem Bindemittel vermischt, erhitzt und in ein breites Elektrodenband gepreßt wird. Dieses Band kann aufgerollt und in die gewünschte Form gebracht werden, um die Algenkondensatoren beliebig in Fahrzeughohlräume einzubauen. Außerdem wiegen sie nur etwa halb so viel wie gleich große Batterien. Die Prototypen haben Energiedichten von 15 bis 16 Wh/kg und liegen damit fast dreimal so hoch wie die Konkurrenzmodelle aus aktiviertem Kohlenstoff. Auch nach über 10.000 Lade- und Entladezyklen verlieren sie nur vergleichsweise wenig ihrer Kapazität. Das Unternehmen SGL Carbon, Kooperationspartner der französischen Forscher, will das neue Verfahren zur Marktreife bringen. Man geht davon aus, daß Superkondensatoren aus Algen in drei Jahren getestet werden können und in etwa zehn Jahren auf den Markt kommen. 

Sehr kleine SuperCaps bringt auch das australische Unternehmen CAP-XX aus Lane Cove unter dem Namen prismatic supercapacitors 2006 auf den Markt. Die Firma wird für ihren bahnbrechenden Nanotechnologie-Prozeß bekannt, mit dem Supercaps von hohen Kapazität (1 Farad und größer) und niedrigem Widerstand (<100 milliohm) hergestellt werden können. Erhältlich sind bereits Einzel-Zellen (2,5V) und Dual-Zellen (4,5 V). 2008 sind auch Hochtemperatur- Supercaps im Angebot (2,75 V und 5,5 V), die bis zu 85°C aushalten.

Eine weitere Firma, die SuperCaps herstellt, ist die 2001 gegründete EEStor Inc. in Cedar Park, Texas, ein Unternehmen, das lieber ohne große Öffentlichkeit arbeitet und bislang noch nicht einmal eine eigene Webpräsenz zu besitzen scheint. Bekannt wird nur, daß es sich bei der hier angewendeten Technik um einen parallelen Plattenkondensator aus Tausenden dünner Blech-Schichten nebst keramischem Bariumtitanat als Dielektrikum handelt, der unter dem Namen Electrical Energy Storage Units (EESU) weltweit vertrieben werden soll. Die Entwicklung soll mehr als 10 Mal soviel Energie speichern können wie eine konventionelle Blei/Säure-Batterie, die Ladezeit beträgt nur wenige Minuten, und die Zyklenzahl sei praktisch unbegrenzt, ohne daß es zu einer Schwächung des Materials kommt.

EEStor kooperiert mit dem kanadischen Kleinwagenhersteller Feel Good Cars und erhält bereits im September 2005 von Kleiner Perkins Caufield & Byers eine Investitionssumme von 3 Mio. $ zur Weiterentwicklung seiner auf Ultrakondensatoren basierenden Technologie.

Der Minderheitsgesellschafter ZENN Motor, der bereits 3,8 Mio. $ in diese Partnerschaft investiert hat, will die SuperCaps eigentlich bereits im ersten Halbjahr 2007 in seinen Elektrofahrzeugen einsetzen, doch erst Anfang 2008 hört man wieder von EEStor, als nämlich bekannt wird, daß das Unternehmen mit dem Luft- und Raumfahrtkonzern Lockheed Martin einen Vertrag abgeschlossen hat, der Lockheed eine exklusive und internationale Lizenz gibt, die neuen Energiespeichersysteme für Anwendungen im Militär- und Heimatschutzbereich einzusetzen. Die Massenproduktion der EEStore-Technologie ist nun für Ende 2008 geplant.

Bereits Mitte 2006 wird die schon 1965 unter dem Namen Maxwell Laboratories gegründete Firma Maxwell Technologies Inc. aus San Diego mit ihren 2,5 V SuperCaps bekannt, die in einem Bereich zwischen 5 und 2.500 Farad angesiedelt sind. Mit einem 10 Farad Caps läßt sich eine rote LED mehr als eine Stunde lang betreiben. Die Energie-Speicherdichte beträgt über 3 Wh pro kg und soll in den nächsten Jahren auf etwa 15 Wh pro kg angehoben werden. Für einen Einsatz in Elektrofahrzeugen müssten sich allerdings mehr als 100 Wh pro kg erreichen lassen.

Ende 2006 stellt das Unternehmen ein kompaktes, vollintegriertes 125 V Modul vor, das als Baustein für die Energieversorgung von Elektromobilen sowie für industrielle Anwendungen bis 1.500 V geeignet ist, wobei in diesem Fall 12 Stück der jeweils 50 kg schweren, robusten, spritzwassergeschützten und in einer Aluminiumhülle verpackten Module in Reihe geschaltet werden. Als Lebensdauer der BOOSTCAP–Module wird eine Zeit von 15 Jahren genannt.

Zu diesem Zeitpunkt gibt es bereits rund 10 Hersteller von Ultracapacitors, zu denen auch die kleine südkoreanische Firma NessCap gehört, deren Produkte bei 2,7 V bis zu 5.000 Farad erreichen. Laut Forschern der University of California handelt es sich dabei um die zu dieser Zeit stärksten Modelle auf dem Markt.

SuperCaps von Wima

SuperCaps von Wima

Im März 2007 liest man erstmals auch von einem deutschen Unternehmen, der Wima GmbH & Co. KG aus Mannheim, die Doppelschicht-Super-Kondensatoren mit Kapazitäten von 110F, 200F, 600F und 2700F bei einer Nennspannung von 2,5 V anbietet. Der technische Aufbau besteht aus aktivierter Kohle, als Elektrolyt wird in wässrigem oder organischem Lösungsmittel gelöstes Leitsalz eingesetzt. Die SuperCaps erreichen eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren und verkraften problemlos über 500.000 Lade/Entladezyklen, wobei der Wirkungsgrad deutlich über 90 % liegt. Außerdem ist hier auch die Gefahr einer Zerstörung durch Tiefentladung – wie bei anderen Speichermedien – ausgeschlossen.

Physiker der North Carolina State University finden Mitte 2007 einen Weg zur Verbesserung von Kondensatoren mit hoher Energiedichte, die damit bis zu sieben Mal so viel Energie speichern können, wie herkömmliche Modelle. Als Dielektrikum wird hierbei ein Polymer namens PVDF eingesetzt, das in zwei Formen existiert, polarisiert oder unpolarisiert. Wird dieses Polymer mit einem zweiten namens CTFE gemischt, entstehen Regionen, die ihre Struktur so verändern, daß sie sich zur Speicherung und Freisetzung beispiellos großer Mengen von Energie eignen.

Im August 2007 meldet die russischen Nachrichtenagentur RIA Novosti, daß Physiker des Vereinigten Instituts für Atomforschung in Dubna bei Moskau mit Hilfe von Nanotechnologie einen Superkondensator konstruiert haben. Dabei werden kleinste Goldpartikel in eine nur 0,5 mm dicke Siliziumfolie eingepreßt, wobei sich die Eigenschaften des Materials derart stark ändern, daß ein Zylinder mit einem Durchmesser von nur 3 cm etwa 900 Mal mehr Energie speichern kann als eine Autobatterie.

Die weiteren Entwicklungen auf diesem Sektor sind zunehmend mit der Nanotechnologie verbunden (s.d.).

Urin-, Bio- und Wasserbatterien

Der Chemiker Adam Heller entwickelt Ende 2002 gemeinsam mit weiteren Forschern der Universität Texas in Austin eine Kleinst-Batterie, die Ihre Energie aus der Körperflüssigkeit von Menschen bezieht. Die Bio-Brennstoff-Zelle bezieht ihre Energie aus der Reaktion von Sauerstoff mit Zucker: zwei mit Enzymen überzogene Kohlenstoff-Fasern werden in den Körper implantiert, wo sie dem Zucker Elektronen entreißen und diese auf den Sauerstoff übertragen, so daß ein elektrischer Strom fließt. Bei einer Körpertemperatur von 37ºC und einem pH-Wert von 7,2 erreicht die Batterie eine Leistung von ca. 1,9 Microwatt. Damit eignet sie sich zwar zur Überwachung des Blutzuckerspiegels bei Diabetikern, aber noch nicht für höheren Energiebedarf wie bei z.B. beim Antrieb eines künstlichen Herzens.

Urin-Batterie

Urin-Batterie

Das Institute of Bioengineering and Nanotechnology in Singapur gibt im August 2005 bekannt, eine Batterie entwickelt zu haben, die mit Urin funktioniert. Die papierdünne Batterie liefert mit einem einzigen Tropfen Urin (0,2 Milliliter) eine elektrische Leistung von mehr als 1,5 Milliwatt und soll einfachere und schnellere Krankheitsdiagnosen ermöglichen. Der Urin dient als Energiequelle und wird gleichzeitig analysiert, etwa um die Glukosekonzentration zu bestimmen.

Diese Batterie besteht aus einer Schicht Filterpapier, das in Kupferchlorid getaucht und zwischen einen Magnesium- und einen Kupferstreifen geklemmt wird. Nach dem Trocknen wird dieses Batterien-‚Sandwich’ zwischen zwei Plastikfolien eingeschweißt, um ein Verschieben der einzelnen Bestandteile zu verhindern. Das Funktionsprinzip der Batterie ist einfach: Wird ein Tropfen Urin auf die Batterie gegeben, wird er vom Papier aufgesaugt. Das Kupferchlorid löst sich und reagiert mit dem Magnesium, wobei Strom erzeugt wird. Die Urinbatterie soll Biochips von Kreditkartengröße ermöglichen, die nach einmaliger Verwendung problemlos entsorgt werden können.

Nach etlichen Verbesserungen liefert ein neuer Prototyp mit einem Tropfen Urin bereits 1,5 V – und das 90 Minuten lang. Er funtioniert aber auch mit anderen Körperflüssigkeiten wie Tränen, Blut oder Sperma.

Ende 2006 präsentiert der japanische Erfinder Susumu Suzuki, Präsident des Tokyoter Baustoff-Herstellers Total System Conductor (TSC), eine Wasser-Batterie, die genauso stark ist wie ein Standard-Mangan-Dioxid-Batterie, und die laut Beobachtern in erster Linie aus Kohlenstoff-Materialien besteht. Der Feuchtigkeitsbedarf sei sehr gering, schon daran zu lecken würde ausreichen, um einige Miliampere zu erzeugen. Bei einer Großproduktion soll sie nur ein Zehntel des heutigen Preises vergleichbarer Batterien kosten. Interessant ist die Batterie insbesondere dadurch, daß sie in trockenem Zustand fast unbegrenzt haltbar ist. Damit bietet sie sich als das ideale System für Notfälle an, das bei Bedarf ausschließlich etwas Wasser benötigt, um aktiviert zu werden.

Im September 2007 kommt unter dem Namen NoPoPo (Non-Pollution Power) eine weitere Urin-Batterie in Japan auf den Markt, die aus Magnesium und Kohlenstoff besteht, 500 mhA leistet, und die man mit einer kleinen Pipette 3 – 5 Mal selbst wiederaufladen kann. Im April 2008 präsentiert die Aqua Power System Japan, Tokio, ihre Batterie auf der Hannover Messe.

Im August 2007 meldet die Presse, daß auch Sony die mobile Stromversorgung mittels einer Bio-Batterie ökologisch verträglich machen will, in der Zucker und Kohlenhydrate Energie erzeugen, ähnlich wie bei der Licht-nutzenden Photosynthese. Erste Testbatterien, die mit einen zuckerhaltigen Fitness-Drink gefüttert werden, leisten bis zu 50 mW. Der Konzern will den Prototyp seiner biologisch abbaubaren Zuckerbatterie nun weiterentwickeln, gleichzeitig prüft er die Möglichkeiten einer breiteren Anwendung, da die zur Herstellung der Batterien benötigten Kohlenhydrate überall leicht aus Pflanzen gewonnen werden können.

Ende 2007 experimentiert man an der University of Colorado Medical School in Denver, USA, mit einer Bio-Batterie die darauf beruht, daß lebende Zellen Ionen durch eine Membran ‚pumpen’ – und damit einen Potentialunterschied aufbauen, der sich nutzen läßt. Eingesetzt werden Nierenzellen, die sich als besonders gut geeignet erwiesen, Ionen zu transportieren. Bei einer einer großen Anzahl von Zellschichten zur Steigerung von Spannung und Leistung können sie vielleicht schon bald Insulin-Pumpen oder Herzschrittmacher mit Strom versorgen.

Ein Forschungsprojekt von 2004 beschäftigt sich mit C-MEMS-3D-Mikrobatterien (Baxel). Die Leistungen aktueller Mikrobatterien liegt bei 20 Mikrowatt bis zu 40 Milliwatt, bei verfügbaren Energien von 100 Mikrowattstunden bis zu fünf Wattstunden. Bei einer weiteren Miniaturisierung nimmt die Kapazität allerdings rapide ab. Einen Ausweg aus dem Problem der Kapazitätsverringerung durch die Verkleinerung der Elektrodenoberfläche und des Elektrolytvolumens könnte die C-MEMS-Technologie (carbon microelectromechanical systems – konventionelle MEMS basieren meist auf Silizium) mit geeigneten neuen Materialien und einer praktikablen Lösung für die Mikrofabrikation zeigen. Die erreichte Zellspannung soll bei ca. drei Volt liegen. Die mittels C-MEMS erzeugten Kohlenstoff-Filme zeigen für ausgewählte elektrochemische Reaktionen in wässrigen und nichtwässrigen Elektrolyten Kenngrößen, die denen von Glaskohlenstoff-Filmen vergleichbar sind.

An der Universität von Kalifornien in Irvine werden ebenfalls leistungsfähige Batterien in Chipgröße entwickelt, wobei den Elektrolyten mehr Raum durch Elektroden geschaffen wird, die an ein Nagelbett erinnern. Die ‚Nägel’ aus Kohlenstoff sind 400 Mikrometer lang und haben voneinander einen Abstand von je 20 Mikrometern. Anoden und Kathoden sind abwechselnd in Reihen angeordnet. Der Elektrolyt befindet sich zwischen den Kohlenstoff-Säulen, die in dieser Form eine stark vergrößerte Reaktionsoberfläche haben. Mittels dieses dreidimensionalen Designs wird der Diffusionsabstand verringert – d.h. durch die Anordnung von Anoden und Kathoden wird die Wegstrecke der Ionen im Elektrolyten klein gehalten – und außerdem ausreichend aktives Material bereitgestellt. Die einzelnen Batterieelemente (Baxel) werden multiplexartig angeordnet. So können einzelne Elektrodengruppen zu- und abgeschaltet werden. Die Batterie ist so in der Lage, auf Wunsch verschiedene Bereiche an Strömen und Spannungen zur Verfügung zu stellen.

Die C-MEMS-Mikrobatterie soll schätzungsweise drei- bis fünfmal mehr Energie erzeugen können als die derzeit erhältlichen kleinsten Mikrobatterien (Stand 2004). Entwicklungsziel sind eine Mikro-3D-Zink-Kohlenstoff-Primärbatterie sowie ein Mikro-3D-Lithium-Ionen-Akku; dabei wird mit verschiedenen 3D-Geometrien und unterschiedlichen Anordnungen von Kathoden und Anoden experimentiert.

Vanadium-Redox-Batterie

Die Vanadium-Batterie begegnet mir erstmals in dem IPTS Report der Europäischen Kommission vom Juli 1999, wo sie wegen ihrem simplen Aufbau, dem hohen Wirkungsgrad, der Fähigkeit in beliebigem Ladezustand in Bereitschaft zu bleiben und der Möglichkeit zu schnellem Laden durch elektrisches Aufladen oder durch einen Elektrolytwechsel als sehr interessante Alternative beschrieben wird. Zu jenem Zeitpunkt wird in Japan bereits eine große Batterie mit 200 kW und 800 kWh getestet.

Der elektrochemische Energiespeicher basiert auf der Oxidation und Reduktion von Vanadium in einer Lösung aus Schwefelsäure in Wasser. Anders als in den üblichen Batterien ist die Energie hier in zwei flüssigen Elektrolyten gespeichert. Diese beiden Elektrolytlösungen enthalten Vanadiumionen in den Oxidationsstufen 2+ und 3+ (negativer Elektrolyt) bzw. 4+ und 5+ (positiver Elektrolyt). Die Zellenspannung beträgt im geladenen Zustand 1,35 V. Man kann also sagen, daß die Energie in einer metallischen Flüssigkeit gespeichert wird.

Das wesentliche Element dieser Batterie ist damit die Tatsache, daß der Elektrolyt hier nicht in der Zelle eingeschlossen ist, sondern nach Bedarf aus separaten Tanks zugeführt wird. Das Laden erfolgt, in dem der vanadiumhaltige Elektrolyt durch die Reaktionszelle der Batterie gepumpt, unter Stromzufuhr in einen Zustand mit höherem Energiegehalt umgewandelt und danach in den Tanks gelagert wird. Wird der Strom wieder benötigt, gibt der Elektrolyt seine Energie beim erneuten Durchfließen der Reaktionszelle wieder ab. Die Reaktionszelle selbst besteht aus zwei Elektrodenkammern mit Graphitfilz-Elektroden und einer ionenleitenden Membran dazwischen. In ihrer Konstruktion stellt die inzwischen Vanadium Redox Batterie genannte Zelle daher so etwas wie eine reversible Brennstoffzelle dar. Das Metall Vanadium wird insbesondere im Westen Australiens abgebaut und zur Veredelung von Stählen genutzt.

Danach dauert es einige Jahre, bis man wieder etwas darüber liest. Erst 2005 melden die Blogs Neuigkeiten über die Vanadium Redox Batterien, die in Japan bereits in großem Umfang eingesetzt werden sollen. Motor der Entwicklung ist das kanadische Unternehmen VRB Power Systems aus Vancouver. VRB plant durch eine Massenfertigung eine Kostensenkung um 30 %, da es sich dann sogar lohnen würde, Vanadium-Batterien einzusetzen um den Unterschied zwischen Tag- und Nachtstrom auszunutzen.

FB10/100 Energiespeichersystem

FB10/100

Eine Untersuchung, welche die US-Industrieforschungseinrichtung Electric Power Research Institute in Palo Alto, Kalifornien, im November 2007 veröffentlicht, bescheinigt der Vanadium-Redox-Batterie künftig eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung und der effizienteren Gestaltung und dem besseren Schutz der notorisch unzuverlässigen nordamerikanischen Stromnetze. Schon im September 2006 hatte der Stromversorger American Electric Power (AEP) mit Sitz in Ohio von VRB Power Systems die ersten drei dieser Batteriesysteme bestellt, die jeweils mehrere MWh speichern können. Bis 2010 will man insgesamt 25 MWh und bis 2020 sogar 1 GWh Speicherkapazität erreichen.

In Österreich wird 2000 die Cellstrom GmbH gegründet, mit Firmensitzen in Eisenstadt und in Brunn am Gebirge bei Wien. 2008 bietet das Unternehmen mit seinem Energiespeichersystem FB10/100 eine ausgereifte Vanadium Redox Durchfluß-Batterie an, die mitsamt der zugehörigen Leistungselektronik in einem wetterfesten Gehäuse untergebracht ist. Das betriebsfertige Komplettsystem hat eine Leistung von 10 kW und liefert eine Energie von 100 kWh.

Viren-Batterien

Batterien sind auch deshalb so groß und so schwer, weil sie zur Hälfte aus Unterstützermaterialien bestehen, die gar nichts mit der Energiespeicherung zu tun haben. Forscher am MIT entwickeln 2006 daher genetisch veränderte Viren, die aktive Batteriekomponenten mit kompakter Struktur bilden können. Das Ziel sind ultradünne, transparente Batterieelektroden, mit denen sich dreimal mehr Energie speichern läßt als in heutigen Lithium-Ionen-Batterien. Es ist ein erster Schritt zu einem Energiespeicher mit hoher Kapazität, der sich quasi auch selbst zusammenbauen könnte. Möglich wären damit etwa Hochleistungsbatterien, die sich nahezu unsichtbar an Flachbildschirmen, Handys, Laptops oder Hörgeräten anbringen ließen. Die am MIT erstellten Viren könnten in Zukunft zudem zu effizienteren Katalysatoren und verbesserten Solarzellen führen.

Zum Einsatz kommen dabei so genannte M13-Viren, welche die positiven Elektroden z.B. einer LiIon-Batterie ausbilden können. Diese M13-Viren bestehen aus Proteinen, von denen sich die meisten so aufwickeln, daß sie einen langen, dünnen Zylinder bilden. Die Forscher ergänzten zusätzliche Nukleotid-Sequenzen zur Viren-DNA, mit denen die Proteine zur Bildung zusätzlicher Aminosäuren angeregt werden, die sich an Kobalt-Ionen binden können. Die Viren überziehen sich in einer Lösung automatisch mit diesen Kobalt-Ionen, was nach einer Reaktion mit Wasser zu Kobaltoxid führt. Dieses Kobaltoxid eignet sich wesentlich besser als Hochleistungsbatteriematerial, als die derzeit in LiIon-Batterien verwendeten kohlenstoffbasierten Materialien.

Angela Belcher

Angela Belcher

Die Viren-Elektroden zeigten bereits in dieser ersten Stufe eine zweimal so große Kapazität wie herkömmliche kohlenstoffbasierte Elektroden. Um diese Energieausbeute noch weiter zu steigern wird die Kobalt-Reaktion zwar beibehalten, zusätzlich aber ein weiterer DNS-Strang eingeführt, der Viren-Proteine herstellt, die sich an Gold binden. Daraus ergeben sich dann Nanodrähte, die sowohl aus Kobaltoxid als auch aus Goldpartikeln bestehen, was die Elektroden zu einer nochmals 30 % höheren Energieausbeute anregt.

Im März 2008 gibt das MIT bekannt, daß man nun eine Virus-basierte transparente Batterie entwickelt habe, die aus ‚smartem’ NanoMaterial hergestellt ist, in einer Kombination aus organischen und anorganischen Komponenten. Die Geschichte, wie die maßgebliche Forscherin Angela Belcher zu ihrer Entdeckung gekommen ist, lohnt eine kleine selbständige Recherche, die ich an dieser Stelle sehr empfehlen möchte.

Verschiedene weitere Batterietechnologien

Insgesamt werden zur Zeit wohl weit über 100 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten für neue Batteriekonzepte getestet (Stand 2007).

Auf dem Anwendungssektor der Speicherung von Sonnenenergie kommen inzwischen mehr und mehr versiegelte und wartungsfreie Akkumulatoren in Gebrauch. Ab Mitte der 1980er Jahre haben so gut wie alle großen Batterieproduzenten entsprechende Akkus im Angebot.

Da als Anwender von Batterien und Akkumulatoren in erster Linie mobile Systeme infrage kommen, werde ich die Geschichte des Elektromobils (und weiterer elektrisch betriebener Transportmittel) etwas ausführlicher betrachten. Auf Grund des außerordentlichen Umfangs dieser Materialien erfolgt ihre Darstellung im Rahmen eines separaten Dokuments unter dem Titel Mobile Anwendungsbereiche.

Bevor wir jedoch dazu kommen möchte ich noch einen Blick auf einige weitere Batterieformen werfen, die zukünftig in neuen Einsatzbereichen zur Anwendung gelangen werden. Anschließend folgt dann eine Übersicht über andere Speichersysteme für Energie.

Neu entwickelte chemische Batterien sind Lithium/Aluminium/Pyrit-Batterien mit erwarteten Energiedichten von bis zu 300 Wh/kg (gegenüber den 35 Wh/kg eines Bleiakkumulators), Graphit-Batterien, die an der Universität Duisburg erforscht werden, Lanthan/Nickel– oder Lanthan/Nickel/Kupfer-Batterien, ihr Ersatz durch Kobalt, Silizium oder Aluminium (Versuche bei Philips in Eindhoven), die von Daimler und einigen Batteriefirmen untersuchte zyklenfeste Lanthan/Flourid-Batterie (180 Wh/kg),

Am Israelischen Technion-Institut in Haifa wird wiederum das sechswertige Eisen der Ferrat-Salze, das gemeinhin als instabil verworfen wurde, zur Entwicklung einer neuen Batterie genutzt. Dabei hat die Verbindung dieser besonderen Eisenform (‚Super-Iron’) mit Kalium oder Barium das Speichervermögen um etwa 50 % auf 475 Wh/kg bzw. 419 Wh/kg angehoben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese Zellen vollständig verrosten und keinerlei umweltbelastende Schwermetalle enthalten.

Aus Somerset West in Südafrika meldet ein Jan Human im März 2007 die Entwicklung und Patentierung des Prinzips einer Hybrid-Batterie, die gleichzeitig ge- und entladen werden kann (was m.W. bislang als unmöglich galt). Er hätte sieben Jahre lang daran gearbeitet.

Unter dem Namen Massively Intermoduled Battery (MIB) präsentiert die Firma Device Conduit Technologies aus San Francisco im August 2007 ein neues Batteriepack für Elektromobile, das kostengünstige Reichweiten bis zu 480 km ermöglichen soll. Das Unternehmen spricht von einer ‚funkgesteuerten Zusammenschaltung marktüblicher Batterien’, ohne jedoch deren Menge oder Typ bekanntzugeben.

Im Sommer 2008 mischt ein Versprechen die Szene auf: US-Präsidentschaftskandidat John McCain sagt bei einer Rede an der Fresno State University in Kalifornien demjenigen Entwickler 300 Mio. $ zu, der einen leistungsfähigen, neuen Akku zum Betrieb von Elektromobilen präsentiert.