Europas Batterieproblem verschärft sich
Im Labor für moderne Batteriesysteme am Chemischen Institut wurde ein neuer Elektrolyt entwickelt, der den Betrieb von Magnesiumspeichern mit höherer Energie ermöglicht. Magnesiumbatterien sind eine attraktive Alternative zu Lithiumbatterien, weisen jedoch auch einige Einschränkungen auf. Über die Entwicklung neuer Speichertechnologien haben unsere slowenischen Kollegen von Casnik Finance mit Robert Dominko gesprochen, der am Chemischen Institut eine weltweit führende Forschungsgruppe für Batterieentwicklung leitet. Dominko leitet zudem eine der zwei Säulen des Zentrums für Entwicklung, Demonstration und Ausbildung im Bereich CO2-freier Technologien.
DWN: Wann könnte die Produktion von Magnesiumbatterien beginnen, die eine Alternative zur Lithiumtechnologie darstellen?
Robert Dominko: Moderne wiederaufladbare Batterien, die auf Lithium, Natrium, Magnesium oder Zink basieren, haben Probleme an den Grenzflächen zwischen aktivem Material, in dem Ladung gespeichert wird, und dem Elektrolyten, der als Ionenträger dient. Bei Lithium-Ionen-Batterien wird dies durch eine teilweise Degradation in den Formationszyklen gelöst, wodurch eine passive Schicht entsteht, die weitere Degradation verhindert.
Bei Natrium kann ein ähnliches Konzept verwendet werden, das jedoch auf veränderten Elektrolyten und Materialien basiert. Bei Magnesium funktioniert das Konzept eines passiven Films als Schutz nicht, weshalb eine kompatible Kombination gefunden werden muss, die mit allen Komponenten in der Batteriezelle vereinbar ist.
Das grundlegende Ziel bleibt die Entwicklung einer organischen Magnesiumbatterie. Die Entwicklung erfolgt in mehreren Richtungen und ein jüngster Durchbruch bei Elektrolyten wird es ermöglichen, bald realistischere Prototypenzellen herzustellen. Dies wird möglich sein, sobald das neue Zentrum in Kisovec (Slowenien) vollständig betriebsbereit ist.
Auf Grundlage der Funktion dieser Prototypen können weitere Schritte folgen. Eine Produktion im Gigawattmaßstab erfordert zusätzliche Anstrengungen beim Aufbau der gesamten Wertschöpfungskette für Komponenten und Materialien. Gleichzeitig ist eine technoökonomische Analyse notwendig, um Herstellungskosten, Materialpreise und potenzielle Einsatzbereiche zu bewerten. Ziel ist ein Akku aus umweltverträglichen Komponenten, die nicht auf der Liste kritischer Rohstoffe stehen. Das ist ein klarer Vorteil gegenüber Lithiumtechnologie. Gleichzeitig entwickeln sich Natriumbatterien schnell und könnten eine ernsthafte Konkurrenz darstellen.
Hervorzuheben ist, dass die jüngste Veröffentlichung das Ergebnis der Forschungsarbeit jüngerer Kollegen unter Leitung von Sara Drvarič Talian ist. Das zeigt, dass auch in Ländern wie Slowenien auch eine neue Generation von Experten heranwächst.
DWN: In einem früheren Interview mit uns hatten Sie schon einmal erwähnt, dass es keine Wunderlösungen gibt und die meisten Batterietechnologien Einschränkungen haben. Welche Einschränkungen bestehen bei Magnesiumbatterien?
Robert Dominko: Wunderlösungen, die häufig in den Medien erscheinen, erzeugen in der Regel Zweifel. Ein Beispiel ist die Ankündigung des finnischen Start-ups Donutlab.com, das eine Lösung mit schnellem Laden, hoher Zyklenzahl und hoher Energiedichte versprach. Nach anfänglicher Skepsis wurden Tests veröffentlicht, die in einem unabhängigen Labor durchgeführt wurden. Es handelte sich jedoch um das finnische Institut VTT, bei dem Testleistungen bezahlt wurden. Das ist problematisch. Erste Hinweise deuten darauf hin, dass Medienberichte auf Annahmen beruhen, die nicht ausreichend geprüft wurden. Eine endgültige Bewertung ist erst möglich, wenn umfassende Messdaten öffentlich vorliegen.
Bei Magnesium ist die Skepsis noch größer. Eine Einschränkung wurde bereits durch eine veröffentlichte Studie adressiert. Zusätzlich muss die langfristige Stabilität organischer Kathodenmaterialien verbessert werden. Weitere Probleme werden erst bei der Herstellung und dem Test von Prototypenzellen sichtbar werden. Zusätzliche Schwierigkeiten sind zu erwarten, die mit aktuellen Knopfzelltechnologien noch nicht erkennbar sind.
Technologiewettlauf bei Batterien entscheidet sich global
DWN: Welche Technologien werden sich in einzelnen Segmenten durchsetzen?
Robert Dominko: Die Lithium-Ionen-Technologie wird noch lange dominieren. Auch sie ist noch nicht vollständig ausentwickelt. Fortschritte sind sowohl bei Materialien als auch beim Zellengineering möglich. Gerade das Engineering kann die Energiedichte um 30 bis 50 Prozent erhöhen. Derzeit bestehen nur 30 bis 40 Prozent einer Batteriezelle aus aktivem Material, der Rest sind inaktive Komponenten. Deren Optimierung bietet enormes Potenzial.
Festkörperbatterien werden intensiv erforscht, sind jedoch noch teuer und technisch anspruchsvoll. Sie dürften zunächst in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen der Preis eine untergeordnete Rolle spielt. Natrium-Ionen-Batterien entwickeln sich zu einer realen Alternative. Unternehmen investieren massiv in Produktionsketten. Vorteile sind höhere Sicherheit und geringere Temperaturempfindlichkeit, jedoch bei geringerer Energiedichte. Einsatzfelder sind Energiespeicher, Mikromobilität und leichte Nutzfahrzeuge.
Auch Zinkbasierte Systeme gewinnen wieder an Bedeutung. Besonders interessant ist ein kostengünstiges Konzept auf Wasserbasis, das als Ersatz für Gaskraftwerke dienen könnte.
DWN: Was sind die wichtigsten Vor- und Nachteile von Festkörperbatterien?
Robert Dominko: Das Hauptproblem ist der Kontakt zwischen festen Materialien. Materialien verändern ihr Volumen durch Temperatur und Ladung. Dadurch entstehen Risse und Leistungsverluste. Lösungen bestehen darin, kleine Mengen flüssigen Elektrolyts hinzuzufügen oder hohen Druck auf die Zellen auszuüben. Beide Ansätze erhöhen jedoch Kosten oder mindern Vorteile. China hat hier bereits Standards definiert und investiert massiv. In Europa gelten ProLogium und BlueSolution als wichtige Akteure.
DWN: Wo könnten Produktionskerne entstehen?
Robert Dominko: Die Kontrolle über Zellproduktion ist entscheidend. China dominiert bereits die Elektromobilität und zunehmend auch Energiespeicher. Europa erhält oft nicht die höchste Qualität, da diese im chinesischen Binnenmarkt bleibt. Nur durch eigene Produktion lässt sich Qualitätskontrolle sichern. Der Aufbau einer vollständigen Wertschöpfungskette ist daher notwendig. Besonders für militärische Anwendungen ist eine unabhängige Produktion unerlässlich.
DWN: Werden Energiespeicher künftig so günstig, dass sie überall eingesetzt werden?
Robert Dominko: Verschiedene Technologien müssen parallel entwickelt werden. Aktuell wächst der Markt, ist aber durch Produktionskapazitäten von unter zwei Terawattstunden pro Jahr begrenzt. Für längere Speicherzeiten werden neue Konzepte entwickelt, die Energie bis zu 14 Tage speichern können. Ziel ist ein Preis von nur wenigen Cent pro Kilowattstunde.
Langfristige Speicherung wird wahrscheinlich durch andere Technologien ergänzt. Entscheidend bleibt der Preis und die politische Unterstützung. Die Preise sind bereits gesunken, liegen jedoch über dem Niveau in China. Weitere Senkungen sind möglich, jedoch schwer vorherzusagen.
Europa muss eigene Batteriekapazitäten aufbauen
Deutschland und Europa stehen unter wachsendem Druck, ihre Abhängigkeit von China im Batteriebereich zu reduzieren. Für die deutsche Industrie, insbesondere die Automobil- und Rüstungsbranche, ist der Aufbau eigener Produktionskapazitäten strategisch entscheidend. Ohne eigene Wertschöpfung drohen Qualitätsverluste, Lieferengpässe und sicherheitspolitische Risiken. Gleichzeitig eröffnet der Aufbau einer europäischen Batterieindustrie erhebliche Chancen für Innovation, Beschäftigung und technologische Souveränität. Das Fazit ist klar: Ohne massive Investitionen und koordinierte Industriepolitik wird Europa im globalen Batteriewettlauf weiter zurückfallen.
