Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen ...

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Blei-Akkus werden schon seit über 100 Jahren entwickelt und sind bis heute eine der zuverlässigsten
elektrochemischen Speicher. Alle Reaktanden (Pb, PbO2, PbSO4) sind Feststoffe und bleiben ortsfest an
den Elektrodenplatten gebunden, die in verdünnte Schwefelsäure getaucht sind. Beim Entladen wird
Schwefelsäure verbraucht, daher kann aus dem Säuregehalt des Elektrolyten direkt der Ladezustand
bestimmt werden. Bleiakkus zeichnen sich vor allem durch Robustheit, eine hohe Zyklenzahl und sehr
geringe Verlustraten aus. Darüber hinaus haben sie noch einen weiteren Vorteil: Sie sind im Vergleich zu
anderen elektrochemischen Speichern sehr billig. Hauptnachteil ist jedoch ihr großes Gewicht. Dies hat
jedoch nur für mobile Anwendungen entscheidende Bedeutung. Weltweit sind daher einige elektrische
Großspeicher auf Basis Blei-Akku in Betrieb, der größte mit 40 MWh befindet sich in Kalifornien.
Vor allem für den mobilen Bereich wird daher intensiv nach Alternativen zum Bleiakkumulator gesucht.
Dabei kommen (z.B. im Toyota Prius) derzeit hauptsächlich Nickel-Metallhydrid Akkumulatoren zum
Einsatz (vgl. Kap. I.3). Diese gibt es seit etwa 20 Jahren als Weiterentwicklung der Ni-Wasserstoff-Zellen,
wobei im Unterschied zu den Vorgängerzellen der Wasserstoff nicht gasförmig, sondern in einer Wasserstoffverbindung
(Metallhydrid) gespeichert wird. Dies vermindert jedoch die erreichbare Energiedichte.
Problematisch ist vor allem im mobilen Bereich für den Betrieb bei Minustemperaturen der wässrige
Elektrolyt. Großer Vorteil gegenüber z.B. Lithium-Batterien ist jedoch, dass NiMH-Akkus keine großen
Sicherheitsprobleme aufweisen. Sie enthalten auch keine giftigen Stoffe.
Lithium ist das leichteste Metall und ermöglicht daher prinzipiell Batterien mit sehr großer Energiedichte. Auf
der anderen Seite ist es jedoch sehr reaktiv und daher sicherheitstechnisch problematisch. Erst durch die
Entwicklung von graphitischen Interkalationsanoden (als Weiterentwicklung von Zellen mit metallischer
Lithium-Anode) konnten praxistaugliche Akkumulatoren gebaut werden. Bis heute sind Sicherheitsaspekte
der Li-Ionen-Zellen jedoch immer noch sehr wichtig. Lithium-Ionen Batterien müssen sehr sorgfältig
betrieben werden, sie vertragen weder Tiefentladung, Überladung noch hohe Temperaturen. Oberhalb von
etwa 70°C besteht die Gefahr einer irreversiblen thermischen Freisetzung der gespeicherten Energie. In
größeren Zellpaketen müssen daher derzeit noch alle Zellen einzeln mit Ladeschutz-Vorrichtungen
überwacht werden. Höhere Sicherheit bieten Lithium-Polymer-Akkus: Statt des flüssigen Elektrolyten wird
hier ein festes Polymer verwendet. Momentan ist aber die Zyklenzahl dieser Zellen nur etwa halb so groß.
Aufgrund der weltweit immensen Forschungsanstrengungen sind in den kommenden Jahren jedoch weiter
verbesserte Zellen mit größerer Kapazität (momentan durch die Kathode begrenzt) und gutmütigerem
Betriebsverhalten zu erwarten.
Vor allem bzgl. der erreichbaren Speicherdichte hat die Klasse der Metall-Luft Batterien erhebliches
Potenzial. Hier ist das aktive Material auf der Kathode Sauerstoff aus der Umgebung, der daher zum
Zellgewicht nicht beiträgt. Hauptnachteil ist, dass die meisten Systeme elektrisch nicht wieder aufgeladen
werden können. Es ist jedoch möglich, das verbrauchte Metall aus der Anode zu entnehmen, separat durch
Elektrolyse zu reduzieren und neu zu verwenden. Ein Wirkungsgrad für den gesamten Zyklus von 60% ist
bereits nachgewiesen.
Am weitesten entwickelt ist die Zink-Luft Batterie, es werden jedoch auch Systeme z.B. auf Basis von
Aluminium und Lithium untersucht. Zink-Luft Batterien zeichnen sich durch eine exzellente Energiedichte
und geringe Kosten aus und sind daher auch für mobile Anwendungen geeignet. So wurden z.B. bei der
Deutschen Bundespost 150 kWh-Systeme im Einsatz von Elektrofahrzeugen erfolgreich getestet.
Ausgangspunkt für die Hochtemperatur-Natrium-Batterie war die Entdeckung eines keramischen Materials
(b-Aluminiumoxid), das ab etwa 300°C eine sehr gute Leitfähigkeit für Na + Ionen zeigt, gleichzeitig aber ein
vollkommener elektronischer Isolator und dicht gegenüber allen anderen Medien ist. Als Kathodenmaterial
wird üblicherweise Schwefel eingesetzt. Sowohl Schwefel als auch Natrium sind bei der Betriebstemperatur
flüssig. Natrium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte, hohen Wirkungsgrad und