"Der Teufel liegt im Detail"

Die wachsende Nachfrage nach immer stromhungrigeren tragbaren Geräten sorgt dafür, dass immer mehr Hersteller auch viel Geld in die Batterieforschung investieren. Doch soviel elektrische Energie in weiter schrumpfenden Verpackungen kann auch gefährlich werden: Jüngstes Beispiel sind die gigantischen Rückruf-Kampagnen, bei denen Dell und Apple mehrere Millionen Lithium-Ionen-Laptop-Akkus aus Sony-Produktion zurückrief.

Im Interview mit Technology Review spricht MIT-Materialwissenschaftler und Batterieexperte Yet-Ming Chiang darüber, was die Herstellung sicherer Akkus mit hoher Energieausbeute so schwierig macht - und ob sich die Kapazität tatsächlich weiter erhöhen lässt, ohne dass es dabei zu Gefahren wie explodierenden Batterien kommt. Chiang ist neben seiner Arbeit als Forscher auch unternehmerisch in dem Bereich tätig: Er ist Mitbegründer des Batterie-Start-ups A123 Systems.

Technology Review: Herr Chiang, tragbare elektronische Geräte entwickeln sich rasant weiter, doch die Batterien, die sie antreiben, scheinen da nicht hinterherzukommen. In den letzten Wochen konnte man außerdem hören, wie gefährlich solche "High Performance"-Akkus sein können. Wie kommt es, dass die Herstellung von Batterien mit hoher Kapazität bei gleichzeitig gewährleisteter Sicherheit so schwierig zu sein scheint?

Yet-Ming Chiang: Einer der Gründe ist sicherlich, dass die Batteriechemie, die die größte Energiedichte aufweist, auch redundante Sicherheitssysteme benötigt. Doch genau das führt dazu, dass sich die nutzbare Kapazität reduziert oder sich die Produktionskosten vergrößern - schon allein deshalb, weil die Schutzkomponenten Platz in der Batterie brauchen.

TR: Wie lassen sich Batterien dann verbessern?

Chiang: Es gibt mehrere Wege, sichere und günstigere Akkus zu bauen, die einen höheren Energiewert aufweisen - oder zumindest den gleichen, den man heute kennt. Der eine Weg ist eine bessere Überwachung der Herstellungsqualität. Nachdem, was ich über die Rückrufe bei Dell und Apple in der Presse gelesen habe, ging es dort ja um ein Produktionsproblem, durch das dann Metallpartikel in die Batterie gelangten, was dann zu Kurzschlüssen führen konnte - das ist also tatsächlich eine reine Frage der Herstellungsqualität. Alternativ dazu lässt sich auch die Batteriechemie intern verbessern und dadurch sicher machen - oder zumindest sicherer. Daran arbeiten zahlreiche Forscher auf der ganzen Welt.

Und selbst mit den heutigen Materialien geht der Trend zu besseren Legierungen und neuen Zusammensetzungen, die sicherer sind als das, was wir in der Vergangenheit verwendet haben. Gleichzeitig könnte man auch radikalere Veränderungen bei der Batteriechemie vornehmen, etwa in dem man sich in der Phospatchemie umsieht.

TR: Allerdings opfern diese Phosphat-basierten Batterien auch Energie. Gibt es noch andere Materialien, die sowohl die Kapazität als auch die Sicherheit erhöhen? Oder sind Batterien mit höherer Kapazität ganz automatisch gefährlicher?

Chiang: Das ist nicht zwangsweise der Fall. Mit mehr elektrischer Energie muss sich natürlich auch immer mehr Energie verteilen, sollte es zu einem Brand kommen. Doch der Unterschied bei der Sicherheit verschiedener Ansätze hat so viel mit der Chemie und den Bauteilen zu tun, dass es durchaus möglich sein müsste, eine höhere Energiedichte bei gleichzeitig erhöhter Sicherheit umzusetzen.

Das gilt beispielsweise für die negative Elektrode - hier kann man Blech- oder Silizium-basierte Legierungen verwenden, die derzeit untersucht werden. Sie können im Volumen deutlich mehr Lithium speichern, ohne dass sie uns unsicherer erscheinen.

TR: Doch damit das auch funktioniert, muss es auch eine positive Elektrode mit höherer Kapazität geben. Gibt es hier Ansätze, die sicherer sind?

Chiang: Verzeihen Sie, wenn ich jetzt etwas kryptisch werde und sage - ja, ich glaube schon. Es gibt definitiv Materialien, die uns in diesem Bereich interessieren und wo wir sagen, sie liefern mehr Energie und sind trotzdem sicherer.

TR: Wie viel besser können Batterien noch werden?

Chiang: Eine Sache, die man im Kopf behalten muss, ist, dass es keine Art von Mooreschem Gesetz für die elektrochemische Energiespeicherung gibt. Beim Mooreschen Gesetz geht es darum, dass ein System ähnliche Funktionen im Computerbereich immer schneller ausüben kann, wenn man die Elektronen- beziehungsweise seit einiger Zeit auch die Photonen-Zahl reduziert. Bei der Energiespeicherung wird man jedoch sowohl von der Chemie als auch vom Periodensystem beschränkt. Eine Art Mooresches Gesetz von der Batteriechemie zu erwarten wäre ungefähr so, als hoffe man darauf, dass der Stahl im nächsten Jahr nur noch die Hälfte wiegt und zwei Mal so stark ist.

Die Leute, die im Bereich besserer Batterien arbeiten, sind dennoch sehr optimistisch. Es gibt hier sicher Raum für Wachstum und mehrere Wege, Verbesserungen vorzunehmen. Wenn man sich das realistisch betrachtet, halte ich einen Faktor von Zwei in den nächsten zehn Jahren für ziemlich realistisch. Aber ein Faktor von Zehn ist quatsch.

TR: Was können Sie als Materialwissenschaftler für die Kapazitätssteigerung tun?

Chiang: Nun, zuerst muss man wohl die Spannung erhöhen. Ein System mit höherer Spannung hat auch eine höhere Energie, weil die Energie der Kapazität der Batterie mal der Spannung entspricht.

Die zweite Möglichkeit, als Materialwissenschaftler etwas für die Batteriezukunft zu tun, ist ein neues Ausgangsmaterial zu finden, das mehr Ionen in ein bestehendes Volumen oder ein bestehendes Gewicht packt.

Drittens ließe sich die Ladung pro transportiertem Ion steigern, was allerdings ziemlich schwer ist. Grundsätzlich sieht es so aus, dass man bei der gleichen Kapazität und der gleichen Spannung mit zweiwertigen Kationen wie Magnesium auch die doppelte Energie als bei Lithium haben würde. Eine Magnesium-basierte Batterie lässt sich mit heutigen Materialien aber noch nicht herstellen. Physikalisch gesehen stellt sich beispielsweise die Frage, mit welcher Rate man das Magnesium bewegen könnte.

TR: Es gibt also durchaus viele Optionen. Wie kommt es, dass der Fortschritt so relativ langsam verläuft?

Chiang: Das Hauptproblem liegt darin, all die Anforderungen zu erfüllen, die es zu erfüllen gilt. So gibt es beispielsweise aktive Materialien, die für eine höhere Spannung ausgelegt wurden. Dummerweise kann aber der Rest des Systems dabei nicht mithalten. Es gibt keine Elektrolyte, die lange genug bei so hohen Spannungen funktionieren. Zwar arbeiten einige kluge Chemiker derzeit an neuen Stoffen, die das können, doch sind sie noch nicht soweit. Das schränkt das Ganze natürlich ein.

TR: Wäre es nicht sinnvoll, bei all diesen Problemen gleich zu einer anderen Energiespeichermethode zu greifen, beispielsweise der Brennstoffzelle?

Chiang: Ich denke, dass das sicher ein Gebiet ist, das man untersuchen sollte. Die Statistik zeigt eindeutig, dass sich mit Brennstoffzellen zumindest theoretisch eine höhere Laufzeit erzielen lässt, als dies mit heutigen Batteriechemie-Ansätzen möglich ist.

Trotz ihrer hohen Energiedichte gibt es aber einige ingenieurtechnische Probleme. Dazu gehört, dass die Brennstoffzellen chemische Nebenprodukte ausstoßen - etwa Wasser oder CO2. Eine Batterie hat dieses Problem nicht.

Und das ist nur die Schwierigkeit, die der Brennstoff mitbringt. Wenn Sie sich anschauen, was man heute an Bord eines Flugzeuges mitbringen darf, so sehe ich noch ganz andere Hürden für die Brennstoffzelle.

TR: Glauben Sie, dass die großen Rückrufaktionen von Dell und Apple Lithium-Ionen-Akkus künftig einen schlechten Ruf bescheren könnten?

Chiang: Die Sache hat zwei Seiten. Einerseits glaube ich nicht, dass dadurch die Nutzung von Batterien in tragbaren Geräten tatsächlich abnehmen wird. Gleichzeitig könnte dieser Vorfall dazu führen, dass wir die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich endlich beschleunigen.

Übersetzung: Ben Schwan. (nbo)