Befragt nach den wichtigsten Technologien für die Energiewende, führen die meisten Menschen vermutlich Solar- und Windkraftanlagen an – dahinter folgen Wasserkraft, Biomasse und Geothermie. Was jedoch die wenigsten berücksichtigen: Mindestens ebenso wichtig wie die Art der Erzeugung ist eine effektive Energiespeicherung. Sie bestimmt, ob Solarstrom die Nacht überdauert, ob Elektroautos tatsächlich Langstrecken zurücklegen können und ob Europas Industrie ihre Abhängigkeit von asiatischen Zellfertigern jemals beenden kann. Entsprechend fieberhaft wird an der nächsten Generation von Stromspeichern geforscht – und die Fortschritte sind rasant. So drängen Natrium-Ionen-Batterien bereits als preiswerte Alternative in den Markt, anodenfreie Zellarchitekturen könnten die Energiedichte verdoppeln und polymere Materialsysteme sollen die Sicherheit ganzer Zellgenerationen neu definieren. Die folgenden fünf Projekte geben Einblick in die Batterieforschung der Gegenwart.
Doppelte Reichweite: Anodenfreie Lithium-Metall-Batterien
Was passiert, wenn man die Anode einer Batterie einfach weglässt? Im besten Fall gewinnt man offenbar Speicherplatz – viel Speicherplatz. Ein südkoreanisches Forschungsteam an der Pohang University of Science and Technology (Postech) hat kürzlich genau das gewagt. Ergebnis: Die neu entwickelte anodenfreie Lithium-Metall-Batterie erreichte eine volumetrische Energiedichte von 1270 Wattstunden pro Liter (Wh/l). Wie viel Potenzial in diesem Ansatz steckt, erkennt man im Vergleich mit Lithium-Ionen-Akkus, die aktuell etwa in Elektrofahrzeugen verbaut sind. Sie kommen in der Regel nur auf maximal rund 650 Wh/l.
Der Ansatz der südkoreanischen Forschenden wirkt radikal simpel: Statt einer festen Anode wandern die Lithiumionen beim Laden der Batterie direkt aus der Kathode auf einen Kupferstromabnehmer und lagern sich dort ab. Das spart Gewicht und schafft Volumen für mehr Energiespeicherung – wäre da nicht das Problem der Dendriten. Die spitzen Lithiumnadeln, die sich bei ungleichmäßiger Abscheidung bilden, können Kurzschlüsse auslösen und die Lebensdauer drastisch verkürzen. Doch auch dafür hat das Team eine chemisch versierte Lösung gefunden: Bei hoher Flächenkapazität behielt die anodenfreie Batterie nach 100 Zyklen noch gut 80 Prozent ihrer Kapazität. Validiert wurde die Leistung nicht nur in Knopfzellen, sondern ebenfalls in praxisnäheren Pouch-Zellen, wie sie üblicherweise in Smartphones, Tablets, Laptops und Drohnen eingesetzt werden.
Natrium-Ionen-Batterien: Das unterschätzte Element
Wer es schafft, das sechsthäufigste Element der Erdkruste für Batterien nutzbar zu machen, hat zumindest bei der Rohstoffversorgung mit weniger Problemen zu rechnen. Natrium ist weltweit verfügbar – und genau darin liegt der strategische Reiz der Natrium-Ionen-Technologie. Laut aktuellen Forschungen stehen Natrium-Ionen-Batterien gerade an der Schwelle zur industriellen Massenproduktion. Vor allem für Anwendungen mit geringeren Anforderungen an die Energiedichte bieten sie schon heute eine tragfähige und nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Die erwarteten Materialoptimierungen könnten dazu führen, dass Natrium-Ionen-Batterien in den kommenden Jahren in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen.
Nichtsdestotrotz hat die Technologie ein großes Zukunftspotenzial. Auf dem asiatischen Markt existieren bereits Serienprodukte, und auch in Europa gibt es erste Anwendungen – etwa Akkuschrauber eines französischen Herstellers. Dass die Umrüstung bestehender Lithium-Ionen-Fertigungslinien vergleichsweise unkompliziert gelingt, beschleunigt den Transfer zusätzlich. Das eigentliche Versprechen ist jedoch ein geopolitisches: Natrium erlaubt den Aufbau europäischer Lieferketten, die unabhängig sind von den Preissprüngen am volatilen Lithiummarkt. „Mit Natrium-Ionen-Batterien haben wir die Chance, uns unabhängig von Ländern wie China zu machen“, sagt Simon Lux von der Institutsleitung der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB). „Um dieses Potenzial zu nutzen, ist eine gezielte Förderung von Forschung und Entwicklung unerlässlich.“
Biomimetik: Rinderproteine als Batteriebausteine
Ausgerechnet ein Abfallprodukt der Rindfleischproduktion könnte ein weiterer Baustein für langlebige Speichertechnologien werden. Ein internationales Team unter Federführung der University of California in Los Angeles hat eine Nickel-Eisen-Batterie entwickelt, deren Elektroden mithilfe von Proteinen aus der Fleischverarbeitung aufgebaut werden. Die Leistungsdaten sind vielversprechend: Ladezeit in Sekunden und mehr als 12.000 Ladezyklen – das entspricht mehr als drei Jahrzehnten bei täglichem Einsatz.
Das Funktionsprinzip ist biomimetisch, also angelehnt an die Prozesse der Natur. Die Forschenden nutzten für ihre Studie die Molekülstruktur von Rinderproteinen als eine Art biologische Gussform: In den Nischen und Taschen des Proteingerüsts wachsen winzige Cluster aus Nickel für die positive und Eisen für die negative Elektrode heran, jeweils kleiner als fünf Nanometer.
Bei dieser Größenordnung nimmt jedes einzelne Atom an der elektrochemischen Reaktion teil – ein enormer Vorteil für Ladegeschwindigkeit und Effizienz. Das Vorbild lieferte die Biomineralisierung, also jener Prozess, mit dem Tiere Knochen aufbauen und Muscheln ihre harten Schalen bilden. Proteine dienen dabei als Gerüst, an dem sich Mineralien geordnet ablagern. Anschließend kombinierte das Team die Nanocluster mit Graphenoxid und unterzog das Material einer Hochtemperaturbehandlung. Dabei karbonisierten die Proteine zu Kohlenstoff, der Sauerstoff im Graphenoxid wurde entfernt, und die Metallcluster verankerten sich stabil in einer hochporösen Struktur. Das Ergebnis ist ein Aerogel, das zu 99 Prozent aus Luft besteht und dennoch eine große reaktive Oberfläche bietet. An die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien kommt die Technologie noch nicht heran – dennoch könnte sie überall dort zum Einsatz kommen, wo extreme Zyklenfestigkeit, schnelle Ladung und robuste Dauerhaftigkeit gefragt sind. Zurzeit arbeitet das Team gerade an der Skalierung des Verfahrens.
Festkörperbatterien: Die unbrennbare Alternative
„Zu den Vorteilen zählen die höhere Energiedichte, verbesserte Stabilität, und vor allem erhöhte Betriebssicherheit. Durch den Verzicht auf Kühlsysteme und zusätzliche Sicherheitstechnik, wie den Brandschutz, sind zudem deutlich vereinfachte Systemlösungen denkbar“, heißt es beim Fraunhofer-Zentrum für elektrische Energiespeicher und Systeme (ZESS). Der mit Abstand am längsten und konsequentesten investierende Konzern in dieser Technologie ist Toyota. Der japanische Autobauer hält weltweit die meisten Patente für Festkörperbatterien.
Lab to Fab: Münsters Milliardenwette auf die Batterie
Es klingt nach einem einfachen Rezept: Man nehme europäische Anlagentechnik, forme eine durchgängige Prozesskette von der Elektrodenfertigung bis zur geladenen Zelle – und fertig ist die erste Lithium-Ionen-Batteriezelle, die den Stempel „Made in Germany“ trägt. Tatsächlich gleicht dieses Projekt einem Meilenstein – realisiert wurde es unlängst erstmals in Münster: In der sogenannten Prefab der 2024 eröffneten Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle (FBB) entstand die erste funktionsfähige Zelle, die bewiesen hat, dass die gesamte Wertschöpfungskette der Zellproduktion in Deutschland realisiert werden kann.
Die Dimensionen des FFB-Projekts sind beträchtlich: Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt sowie das Land Nordrhein-Westfalen investieren gemeinsam rund eine Milliarde Euro in Münster. Allein die Prefab umfasst mehr als 3000 Quadratmeter Forschungsfläche. Der zweite Bauabschnitt, die sogenannte FFB Fab, soll auf rund 20.000 Quadratmetern Produktionsforschung im Gigafactory-Maßstab ermöglichen. Die Strategie dahinter heißt Lab to Fab: Technologien aus dem Labor sollen in einer digitalisierten, modularen Fertigungsumgebung erprobt und für die wirtschaftliche Produktion optimiert werden. Das Ziel ist durchaus ambitioniert: Bis 2035 soll eine wettbewerbsfähige Batterieproduktion in Deutschland entstehen – eingebettet in ein europäisches Produktionsnetzwerk.
