Auch wenn es niemand merkt, Batterien verändern die Welt!

Wenn man sich heutzutage für den technologischen Fortschritt interessiert, kommt man an Batterietechnologie nicht vorbei. Nicht etwa, weil sie diesen Fortschritt treiben würde, sondern weil man das Gefühl nicht loswird, dass sie ihn blockiert. Daran Schuld sind nicht unwesentlich die Batteriehersteller, die immer mal wieder einen Durchbruch ankünden. Gewiss, das sind Durchbrüche in der Forschung. Der Anwender indes, bekommt davon im täglichen Leben vermeintlich nicht so viel mit.

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Immense Entwicklung

Und doch hat sich in den letzten Jahren eine immense Entwicklung in der Batterietechnologie ergeben. Die Lithium-Ion Technologie hat sich als momentaner Standard etabliert. Lithium-Ionen-Batterien speichern heute doppelt so viel Energie, wie die von Sony im Jahr 1991 erstmal verkauften Exemplare. Und sie sind auch zehnmal billiger.

So liegt die Energiedichte von rund Notebookbatterien bei derzeit rund 250 Wh/kg und bei Autos, aus Sicherheitsgründen, zwischen 160 und 180 Wattstunden pro Kilogramm. Allgemein wird angenommen, dass die Energiedichte noch maximal verdoppelt werden kann. Zudem sollen die Preise bis 2020 nochmals halbiert werden. All dies, notabene, nur mit der Optimierung der bestehenden Lithium-Ionen Technologie.

Wahrnehmung der Akkuleistung

Und trotzdem erliegen die meisten Menschen dem Gefühl, es hätte sich bei der Batterietechnologie nicht viel getan. Das liegt vor allem an unseren Smartphones die, wie wir meinen, viel mehr Energie brauchen. Das stimmt nominal erstmal. Doch vergleicht man frühe und heutige Modell, muss man zum Schluss kommen, dass das so nicht wirklich stimmt. So bot das Nokia 3210 mit seinem 1.000 mAh Akku 260 Stunden Stand-by oder 4 Stunden Sprechzeit. Der 1.715 mAh Akku des iPhone 6 hält dieses rund 240 Stunden Stand-By oder 14 Stunden in Sprechzeit.

Was sich allerdings geändert hat, ist, dass wir die Geräte nicht mehr (nur) als Telefone nutzen. Die Wahrnehmung der Akkuleistung hat aber dadurch so stark gelitten, dass die meisten Menschen das Gefühl haben, die Akkus sind nicht besser geworden. Fakt ist hingegen: Hätten wir nur die Akkus der „Generation Nokia 3210“ das Smartphone wie wir es heut kennen, wäre weder möglich noch bezahlbar.

Der Fluch der verschiedenen Dimensionen

Dass Batterietechnologie nicht einfach exponentiell voranschreitet, hat verschiedene Ursachen. Zum einen ist da die Grundlage: Es gibt chemische und physikalische Grenzen, denn jedes Elektron das im Akku gespeichert werden soll, braucht (vereinfacht gesagt) ein Atom (oder Molekül) mit dem es gebunden werden kann. Jedes Atom kann indes nur eine begrenzte Menge an Elektronen binden. Das ergibt rein physikalisch die Maximalmenge der im Akku gespeicherter Energie.

Dazu kommt, dass Batterien verschiedene Eigenschaften haben sollten, welche physikalisch in Konkurrenzstehen:

Kapazität

Eine Batterie soll möglichst eine hohe Nennkapazität haben.

Energiedichte

Die Energiedichte definiert, wie viel Energie die Batterie pro Masseeinheit oder Volumeneinheit abgeben kann. So bringt ein extrem Leistungsfähiger Akku für viele mobile Einsatzwecke nicht viel, wenn er sehr groß oder sehr schwer oder beides ist.

Ladezeit

Die Ladezeit einer Batterie ist für fast alle Anwendungen von großer Bedeutung und muss in Kontext mit anderen Anforderungen an die Batterie gesetzt werden. So ist zum Beispiel die Bedeutung der Ladezeit direkt abhängig von der Energiedichte: Je weiter ein Auto mit einer Batterieladung fahren kann, desto unbedeutender wird die Zeit, die benötigt wird, um die Batterie nachzuladen.

Dauerhaftigkeit

Batterien verlieren über eine gewisse Anzahl von Ladezyklen ihre Leistungsfähigkeit. Für die meisten kommerziellen Anwendungen ist diese Beschränkung, je nach Gebrauch der Batterie, kein wirkliches Problem mehr.

Sicherheit

Insbesondere Lithium-Ion Batterien sind empfindlich und können unter gewissen Umständen in Brand geraten. Dies gilt es bei der Entwicklung zu berücksichtigen.

Recyclierbarkeit

Eine Batterie sollte möglichst gut recyclierbar sein. Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien können erstaunlich gut recycliert werden. In einer Studie der EMPA mit dem Titel «Contribution of Li-Ion Batteries to the Environmental Impact of Electric Vehicles» kommen die Wissenschaftler zum Schluss, dass von der gesamten Umweltbelastung, die ein Elektroauto schafft, nur gerade 15% auf die Batterien entfallen. Davon betreffen die Hälfte, also 7.5 % der Gesamtbelastung die Entsorgung.

In der Schweiz werden bereits heute 70% aller Lithium-Ionen-Batterien rezykliert. Was viele nicht wissen: Batterien, welche in Autos nicht mehr eingesetzt werden können, können in stationären Anwendungen durchaus noch Sinn ergeben. Eine Batterie ist also nicht einfach kaputt oder ok, sondern verliert an Leistung und eignet sich dadurch für gewisse Zwecke nicht mehr. Diesen Effekt hatten die EMPA Wissenschaftler nicht eingerechnet.

Der Schlüssel zu fundamentalen Veränderungen

Aus diesen Gründen sehen wir bei der Weiterentwicklung der Batterietechnologie keine schnellen Durchbrüche. Es ist schlicht komplex.

Es wird jedoch auf breiter Front geforscht und entwickelt. Denn kaum etwas wie die Batterietechnologie lohnt sich. Viele Menschen machen sich keine Vorstellungen, wie ein sehr stark verbesserter und verbilligter Akkumulator unsere Welt verändern wird.

Mobilität

Sehr nahe liegend, natürlich durch die Entwicklung von Tesla. Aber auch andere Hersteller bringen nun Autos auf den Markt. So zum Beispiel Chevrolet mit dem Modell Bolt, dass rund 300 km Reichweite hat und zu einem Preis von rund 35.000 US$ auf den Markt kommt. Auch wenn in jüngster Zukunft wieder Initiativen zur Brennstoffzelle gestartet wurden, wird sich über lang oder kurz zeigen, dass Elektrizität die momentan beste verfügbare Option ist (hier erklärt Elon Musk warum das so ist)

Aviation

Lange schon träumen wir von persönlichen Fluggeräten. In letzter Zeit gab es verschiedene Projekte, die bereits weit entwickelte Prototypen präsentierten. Der an der CES16 präsentierte EHANG 184 hat im Moment noch eine maximale Flugdauer von 23 Minuten. Das ist viel zu wenig. Sobald aber bessere Batterien zur Verfügung stehen, könnten solche Flugzeuge in der Tat eine schnelle und starke Verbreitung erfahren. Und wir hätten dann unsere „fliegenden Autos“, wie wir sie aus den Sci-Fi-Filmen kennen. Endlich.

Energieversorgung

Bessere Batterien führen auch zu einem Umdenken im System der Energieversorgung. Allmählich setzt sich die Erkenntnis durch, dass eine möglichst dezentrale Stromgewinnung (vor allem durch Photovoltaik) Sinn ergibt. Bislang verlief die Entwicklung schleppend, da der Strom nicht gespeichert werden konnte. Eine Hausbatterie (wie sie Tesla vor ein paar Monaten vorstellte) könnte hier tatsächlich den Durchbruch schaffen. Sie ermöglicht Hausbesitzern mehrheitlich autark Elektrizität zu produzieren und zu konsumieren. Bei stark vergünstigten Kosten. Ein solches System hat unglaublich viele Vorteile.

Das Angedachte

Den weitaus größten Impact werden allerdings Geräte und Gadgets haben die bis jetzt nur angedacht und wegen fehlender genügender Batterieelemente nicht umgesetzt wurden. So ist die eine stark verbesserte Batterietechnologie Basis für so viele Entwicklungen in Robotik, Kybernetik, IoT, Medizin, Forschung. Es finden sich nur ganz wenige Gebiete, in denen ein Super-Akku keine Auswirkungen hätte.

Unterschätzte Technologie

Und so bleibt die Batterietechnologie weitum unterschätzt. Das ist typisch für sogenannte Enabler-Technologien. Egal in welchem Bereich Sie tätig sind. Ich kann nur raten, die Entwicklungen der Akkus im Blickfeld zu haben. Und zu investieren. Sie können nichts falsch machen, außer vielleicht zu ungeduldig zu sein.