Batterien übernehmen Vorreiterrolle als Energiespeicher 

Batterien sind Vorrichtungen zur Stromspeicherung, die Energie bei Bedarf abgeben. Im Gegensatz zu den im Alltag verwendeten Batterien, die elektrische Energie durch direkte Umwandlung von chemischer Energie erzeugen, veranschaulicht das Pumpspeicherkraftwerk Nant de Drance sehr schön, wie eine „Wasserbatterie“ funktioniert. ¹ Das Pumpspeicherwerk hoch in den Schweizer Alpen verfügt über eine elektrische Speicherkapazität von mehr als 400.000 Elektrofahrzeug-Batterien.

Diese Wasserbatterie arbeitet mit durch Wasserkraft angetriebene Generatoren und zwei Stauseen, einem oberen und einem unteren. In Spitzenzeiten wird Wasser aus dem höher gelegenen Stausee abgelassen, um Strom zu erzeugen. Wenn es zu einer Überproduktion von Energie kommt, wird das Wasser wieder nach oben gepumpt und für die künftige Nutzung gespeichert. 

Die Wasserbatterie ist zwar ein faszinierendes Modell, unterscheidet sich jedoch von gewöhnlichen tragbaren Batterien, die in vielen Bereichen des modernen Alltagslebens zum Einsatz kommen. Herkömmliche Batterien sind elektrochemische Zellen oder Reihen von Zellen, die elektrischen Strom erzeugen. 

Nur wenige Technologien sind für die von der Industrie angestrebte Reduzierung der CO₂-Emissionen wichtiger als elektrochemische Batterien. Sie treiben Elektrofahrzeuge an, speichern Strom aus Solarmodulen und Windenergieanlagen und stabilisieren das Stromnetz. In den beiden letztgenannten Anwendungen spielen Batterien eine entscheidende Rolle für den wirtschaftlich tragfähigen, großflächigen Ausbau erneuerbarer Energiequellen. 

Die erheblichen Umweltauswirkungen von Batterien, die von der Rohstoffgewinnung bis zur Entsorgung den gesamten Lebenszyklus der Herstellung umfassen, müssen gründlich analysiert werden. Dies stellt sicher, dass die Energiewende nicht vorhandene Umweltprobleme durch neue, ebenso schädliche Probleme ersetzt.

Batterien aus elektrochemischem Zellen werden in drei Hauptklassen eingeteilt: Primär-, Sekundär- und Tertiärzellen. Innerhalb dieser Hauptkategorien gibt es verschiedene Bauformen. Durch Verwendung unterschiedlicher Metalle und Elektrolyte innerhalb dieser Klassen können die für verschiedene Endanwendungen geeigneten Eigenschaften erzielt werden.

Die auch als Einwegbatterien bezeichneten Primärzellen können nicht wieder aufgeladen, sondern müssen nach Gebrauch entsorgt werden. Sie werden häufig in tragbaren Geräten wie Taschenlampen und anderen großen Elektronikgeräten verwendet. Beispiele hierfür sind Trockenzellen, Alkalibatterien, Zink-Kohle-Batterien und Lithium-Primärzellen.

Alkalibatterien sind die beliebtesten Einwegbatterien. Diese nicht wiederaufladbaren Batterien sind die wirtschaftlichste Kategorie. Sie behalten während ihrer gesamten Lebensdauer eine konstante Entladespannung und bieten eine zuverlässige Leistung. Alkalibatterien sind zwar praktisch, als Einwegprodukte aber nicht umweltfreundlich.

Wiederaufladbare Batterien, auch als Sekundärbatterien oder Akkus bezeichnet, können mehrmals aufgeladen und wiederverwendet werden. Im Gegensatz zu Primärzellen, die zum einmaligen Gebrauch bestimmt sind, nutzen sie ein externes elektrisches Potenzial, um die chemische Entladungsreaktion umzukehren, sodass sie mehrfach verwendet werden können. Diese Zellen sind in verschiedenen chemischen Konfigurationen erhältlich, u. a. in den Varianten Blei-Säure, Nickel-Cadmium (Ni-Cd), Nickel-Metallhydrid (Ni-MH) und Lithium-Ionen (Li-Ion). Wiederaufladbare Batterien sind in der Regel teurer als Primärzellen, und einige erfordern eine sachgemäße Handhabung, um Überhitzung zu vermeiden, die möglicherweise sogar einen Brand oder eine Explosion verursachen könnte.

Tertiärzellen sind der Batterietyp, der am wenigsten verbreitet ist. Im Gegensatz zu Primär- und Sekundärbatterien sind die Zellen hier bis kurz vor der Aktivierung von anderen Komponenten getrennt. Die Komponente, die am häufigsten isoliert wird, ist der Elektrolyt.

Bei Reservebatterien ist die Möglichkeit einer Selbstentladung effektiv ausgeschlossen, und der chemischen Abbau wird minimiert. Die meisten Reservebatterien sind thermische Batterien und werden nahezu ausschließlich in militärischen Anwendungen eingesetzt.

Im restlichen Teil dieses Artikels wird es um wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien (Li-ion-Batterien) gehen. Sie sind der gängigste Batterietyp.

Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer langen Lebensdauer, hohen Energiedichte und wünschenswerten Spannungseigenschaften der bevorzugte Batterietyp für eine Vielzahl von Anwendungen. Die lange Liste reicht von kleinen Hörgeräten, Mobiltelefonen, Computern, E-Bikes und Elektrofahrzeugen bis hin zu Großspeichern in Stromnetzen.

Bei Lithium-Ionen-Batterien werden in der Regel unterschiedliche Materialien für die Anode (negative Elektrode) und die Kathode (positive Elektrode) verwendet. Als Elektrode kann jedes leitende Material verwendet werden, u. a. Metalle, Halbleiter, Graphit oder leitfähige Polymere.

Die Materialien der positiven Elektrode haben erheblichen Einfluss auf Leistung, Ladezyklen und die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen. Der Elektrolyt transportiert positiv geladene Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode, der Separator dient dagegen als Barriere, die den Fluss der Elektronen innerhalb der Batterie verhindert und nur Lithium-Ionen hindurchlässt.

An der negativ geladenen Anode findet eine Oxidationsreaktion statt, bei der Elektronen freigesetzt werden, die sich in Richtung des äußeren Teils des Stromkreises bewegen. Die meisten Lithium-Ionen-Batterien verwenden ein Graphitgemisch als Anodenmaterial. Es ist eine Kombination aus natürlichem Graphit, der aus dem Erdboden gewonnen wird, und synthetischem Graphit, der durch Erhitzen von Petrolkoks entsteht. Das daraus hergestellte Gemisch hat eine Schichtstruktur. Sie ermöglicht, dass Lithium-Ionen während des Ladevorgangs in die Schichten eintreten und während des Entladevorgangs wieder austreten können.

Die Kathode ist die positive Elektrode einer Zelle, an der eine reduktive chemische Reaktion stattfindet. In Lithium-Ionen-Batterien werden verschiedene Kathodenmaterialien verwendet, u. a. Lithium-Kobaltoxid, Lithium-Eisenphosphat und Lithium-Nickelmangan-Kobaltoxid. Diese Materialien können während der Lade- und Entladezyklen reversibel Lithium-Ionen in ihre Kristallstruktur aufnehmen und daraus wieder abgeben.

Die Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien benötigen hochwertige Minerale von außergewöhnlicher Reinheit. Mehr als die Hälfte der Herstellungskosten von Lithium-Ionen-Batterien entfallen daher auf Kathode und Anode. Die Montage von Kathode, Separator, Anoden und Stromsammlern erfordert ebenfalls präzise Montageschritte, beispielsweise beim Anordnen der einzelnen Lagen und beim Wickeln.

Lithium-Ionen-Batterien sind seit etwa 30 Jahren auf dem Markt und haben in diesem Zeitraum ein exponentielles Wachstum erlebt.

Allerdings gibt es seit mehr als hundert Jahren noch weitere Technologien für wiederaufladbare Batterien, beispielsweise Blei-Säure-, Ni-Cd- und Ni-MH-Batterien. Jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, die in den folgenden Abschnitten erläutert werden.

Blei-Säure-Batterien gibt es seit dem späten 19. Jahrhundert und sie sind auch heute noch weit verbreitet. Diese Batterien sind kostengünstig, recycelbar und erfordern bei der Wartung keine komplexen Batteriemanagementsysteme. Sie besitzen jedoch nur eine geringe spezifische Energie und im Vergleich zu anderen Batterietypen eine begrenzte Anzahl von Ladezyklen. Blei-Säure-Batterien werden für die Stromversorgung von Rollstühlen, Golfwagen, Notbeleuchtungen und in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verwendet. Da sie den Giftstoff Blei enthalten, müssen sie am Ende ihrer Nutzungsdauer fachgerecht entsorgt werden.

Nickel-Cadmium-Batterien bestehen aus Nickeloxidhydroxid, metallischen Cadmiumelektroden und einem alkalischen Kaliumhydroxid-Elektrolyt. Einer ihrer Hauptvorteile besteht darin, dass sie schnell geladen werden können, die Kehrseite ist jedoch eine hohe Selbstentladungsrate. Außerdem ist Cadmium, genauso wie Blei, giftig.

Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) bieten gegenüber Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd) mehrere Verbesserungen, darunter eine um 30 % höhere Ladungsdichte pro Volumen und eine wesentlich langsamere Selbstentladung. Allerdings dauert das Aufladen länger, und diese Batterien neigen besonders stark zu Kapazitätsverlusten bei wiederholtem Aufladen.

Im Vergleich zu anderen chemischen Zusammensetzungen von Sekundärbatterien sind Lithium-Ionen-Batterien eine moderne Entwicklung bei wiederaufladbaren Batterien. Im Vergleich zu den drei vorherigen Batterietypen bieten sie eine unübertroffene Kombination aus hoher Energie- und Leistungsdichte mit einem überlegenen Verhältnis von Gewicht zu Energie. Allerdings weisen Lithium-Batterien ein erhöhtes Entzündungsrisiko auf, sie benötigen daher eine Schutzschaltung und erfordern einen vorsichtigen, sachgemäßen Umgang.

Für die nächste Zeit werden neue Generationen weiterentwickelter Lithium-Ionen-Batterien erwartet. Beispielsweise Lithium-Schwefel-Batterien, bei denen die Lithium-Anode verbraucht und Schwefel in verschiedene chemische Verbindungen umgewandelt wird. Festkörperbatterien haben ebenfalls Potenzial, dieses Konzept muss aber erst noch den Sprung vom Labor zur Marktreife schaffen.

Wir befinden uns mitten in der Energiewende, daher hat die Zukunft der Batterietechnologie direkte Auswirkungen auf uns alle. Dies betrifft auch die verwendeten Materialien, die Herkunft und den Abbau der Metalle und die Art und Weise, wie die Minerale entsorgt oder im Idealfall wiederverwendet werden. Bei der Entwicklung nachhaltiger Batterien muss die Rohstoffproblematik berücksichtigt werden, und auch über Beschaffung, Entsorgung und die eventuelle Wiederverwendung dieser Minerale muss gründlich nachgedacht werden.