Die Entwicklung der Batterien: von der Erfindung der Stabbatterie, zur Bleibatterie, bis zu den modernsten Lithiumbatterien

Anlässlich des Internationalen Tages der Batterie (18. Februar) entdecken wir gemeinsam, wie eine Batterie entsteht, ihre Geschichte und ihre Entwicklung: von der Erfindung der Stabbatterie durch Alessandro Volta über Blei-Säure-Batterien bis hin zu den modernsten Lithiumbatterien. Diese Entwicklung führt zur modernen Lithium-Ionen-Technologie.

Von der Stabbatterie zur Lithiumbatterie: ein allgegenwärtiger Gegenstand in unserem täglichen Leben

Haben Sie sich jemals gefragt, wie unsere Welt heute ohne Batterien aussehen würde? Batterien sind aus dem Alltag von uns allen nicht mehr wegzudenken. Denken Sie nur daran, wie viele Geräte Sie zu Hause oder am Arbeitsplatz nutzen, die auf Energie aus Batterien angewiesen sind, sei es eine AA- oder AAA-Batterie oder eine Batterie aus den größeren Kategorien wie Blei-Säure- oder Lithium-Ionen-Batterien, die in Autos, Industriefahrzeugen und im neuen Bereich der Elektromobilität eingesetzt werden.

Die von Batterien bereitgestellte Energie begleitet die Tätigkeiten des Menschen seit Jahrzehnten und steht für eine kontinuierliche technologische Entwicklung hin zu immer leistungsfähigeren Lösungen. Von der Voltaschen Säule bis zur Batterie für Elektroautos (EV) hat dieses Gerät unsere alltäglichen Gewohnheiten revolutioniert. Heute sind Batterien eine treibende Kraft der Energiewende, ermöglichen Branchen die Elektrifizierung und erreichen neue Standards bei Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit.

Wir alle kennen und nutzen sie, doch Wenige kennen die Herkunft und Entwicklung der Batterie. Was könnte sich da besser eignen, um sich mit ihrer Geschichte vertraut zu machen, als der internationale Tag der Batterie?

^{[Abb.1] Porträt von Alessandro Volta}

Am 18. Februar jedes Jahres wird der internationale Tag der Batterie gefeiert, ein Datum, das sicher nicht zufällig gewählt wurde. Denn am 18. Februar 1745 wurde in Como der italienische Chemiker und Physiker geboren, der den ersten statischen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie – die Batterie – erfand. Die Rede ist von Alessandro Giuseppe Anastasio Volta, ein Mann der Wissenschaft, der nach Jahren des Forschens und Experimentierens im Bereich der Elektrochemie im Dezember 1799 in der Werkstatt seines Wohnsitzes in Lazzate (MB) den ersten Prototyp einer modernen Batterie erfand, die heute im Museum der Geschichte der Universität Pavia aufbewahrt wird.

Wie funktioniert Voltas Batterie?

Die Batterie erfunden von Alessandro Volta funktioniert nach dem Prinzip der galvanischen Zelle: dabei handelt es sich um eine Säule aus übereinander gestapelter gleicher Elemente (Zink und Kupferplatten, die durch eine in Wasser und Schwefelsäure getränkte Stoffschicht getrennt werden), die daher Voltaelemente genannt werden. Die beiden Enden der Batterie werden Pole genannt und wenn sie durch einen elektrischen Leiter verbunden werden, entsteht ein Kreis, in dem Gleichstrom fließt. So wird Energie unabhängig vom Stromnetz erzeugt.

^{[Video 1] SuperQuark – Voltasche Säule (Video in Originalsprache)}

Die Erfindung der Batterie wurde der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft durch Volta selbst, über ein Schreiben bekannt gegeben, das der Wissenschaftler am 20. März 1800 an den Vorsitzenden der englischen Gelehrtengesellschaft, die sogenannte Royal Society in London richtete. Dieser Brief wurde sodann in der renommierten Zeitschrift „Philosophical Transactions of the Royal Society“ veröffentlicht, die den Wissenschaftler berühmt werden ließ und ihn zum anerkannten Vater dieser epochalen Erfindung machte. Wussten Sie, dass Volt, die Maßeinheit für elektrische Spannung, ihren Namen von Alessandro Volta zu Ehren seiner großartigen Erfindung erhalten hat?

Die Batterie ist zweifelsfrei eine geniale Erfindung gewesen, doch brachte sie ein nicht unwesentliches Problem mit sich: sie ließ sich nicht wieder aufladen und daher war man bei Entladung gezwungen, den gesamten Prozess wieder von vorne zu beginnen. Das Potenzial war jedoch extrem interessant und es war die Weitsicht hinter dem Konzept der Batterie die dazu geführt hat, dass sich dieser erste Prototyp weiterentwickelte und mit der Zeit (und nach verschiedenen Schritten) zu dem Batterie geworden ist, den wir alle kennen.

Wenn wir jedoch von Batterien sprechen, eröffnet sich uns förmlich eine Welt aus chemischen Elementen, Kapazitäten und Lösungen, die auf der Grundlage spezifischer Bedürfnisse der verschiedenen Anwendungen erforscht wurden, angefangen bei der Industrie über den Haushalt bis hin zum privaten Gebrauch.

Die Batterietechnologie at mehrere Epochen durchlaufen: von etablierten Blei-Säure-Batterien (Lead-Acid) bis zur Revolution der Lithiumbatterie (Li-Ion). Heute gibt es Lithiumbatterien in spezifischen Chemien wie LFP und NMC, um jedem Anwendungsfall gerecht zu werden. Die eigentliche Innovationsgrenze bilden jedoch Festkörperbatterien (Solid-State Batteries): eine Technologie, die aktuell im Mittelpunkt der weltweiten Forschung steht und noch höhere Leistungen verspricht. Dieser Weg entwickelt sich kontinuierlich weiter, getragen von laufenden Investitionen in Forschung und Entwicklung, um Energiedichte und Sicherheit zu maximieren.

Die Geburt der Blei-Säure-Batterien

Der erste Abkömmling der Stabbatterie ist die Blei-Säure-Batterie, die diese Technologie als erstes zum Erfolg gebracht hat. Die Blei-Säure-Batterie wurde 1859 von dem französischen Physiker Gaston Planté erfunden und hatte einen epochalen Vorteil: sie war wiederaufladbar, was bedeutete, dass sie mehrmals benutzt werden und bei Bedarf wieder vollständig geladen werden konnte.

Ursprünglich handelte es sich um zwei spiralförmig angeordnete Bleiplatten, die durch eine Gummihaut getrennt, in Schwefelsäure eingetaucht waren, die sich in einem Glasbehälter befanden. Diese Technologie wurde im Laufe der Zeit durch den Ingenieur Camille Alphonse Feure verbessert, der eine viel einfachere Ausführung entwickelte, die sich in Massenproduktion fertigen ließ. Sie bestand aus einem Bleigitter, in das eine Bleioxidpaste gepresst wurde, die eine Platte bildete. Die Blei-Säure-Batterien wurden immer weiter verbessert, allerdings blieben sie der Ausgangsidee des ursprünglichen Prototypen sehr getreu.

^{[Abb.2] Aufbau einer Blei-Säure-Batterie}

Obwohl sie nach wie vor in vielen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und in traditionellen Industriezugantrieben eingesetzt werden, sind Blei-Säure-Batterien (Lead-Acid) heute eine technologisch überholte Lösung. Die Grenzen dieser Chemie zeigen sich deutlich in der Gesamteffizienz: niedrige Energiedichte (wodurch das Batteriepaket unnötig schwer wird), verkürzte Zyklenlebensdauer, lange Ladezeiten und der Bedarf an ständiger Wartung, um den ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. Aus diesen Gründen wenden sich viele Branchen nach und nach von Blei ab und setzen auf die Referenztechnologie des neuen Jahrtausends: Lithiumbatterien (Li-Ion).

Die Erfindung der Lithiumbatterien

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) sind das Herz moderner Technologie und versorgen eine breite Palette von Unterhaltungselektronik, von Smartphones, Tablets und PCs bis hin zu Wearables, elektrischer Mikromobilität und Elektrofahrzeugen (EV). Die aktuelle Revolution ist jedoch der Übergang zur Smart Battery: die Integration fortschrittlicher Elektronik und intelligenter Überwachungssysteme. Dank des BMS (Battery Management System) liefern diese Batterien nicht nur Energie, sondern senden in Echtzeit auch Daten zum Ladezustand und zur Sicherheit. Diese Intelligenz an Bord macht Lithiumbatterien nicht nur in Alltagsgeräten unverzichtbar, sondern auch in Industriefahrzeugen und komplexen Energiespeichersystemen, da sie maximale Effizienz und eine längere Lebensdauer gewährleisten.

^{[Abb.3] Wie funktioniert eine Lithiumbatterie?}

Wie sieht eine Lithiumzelle aus?

Lithiumzellen bestehen heute aus zwei Elektroden: der Kathode und der Anode. Die Erste ist der sogenannte Pluspol der Batterie und besteht aus Kathodenmaterial (z. B. LFP, NMC, LMO usw.) und aus einem Stromabnehmer. Die Anode dagegen ist der Minuspol der Batterie und besteht aus Anodenmaterial (z. B. Kohle oder Graphit) und dem Stromabnehmer. Diese werden durch einen zentralen Separator, einer aus einem Kunststoff- oder Keramikpolymer bestehenden Schicht isoliert, wobei alles in ein Elektrolyt eingetaucht ist, einer organischen Flüssigkeit, die das Volumen im Inneren der Zelle ausfüllt und die Elektroden benetzt und somit den Durchgang von Lithiumionen zwischen den beiden Polen ermöglicht.

Die Gründe, warum Lithiumbatterien beim Übergang zur Elektrifizierung zur Spitzentechnologie wurden, sind zahlreich, doch können wir bereits 8 wesentliche Vorzüge nennen, durch die sie sich im Vergleich zu ihren Blei-Säure-Vorgängern auszeichnen:

• eine hohe Energieeffizienz (96 %) (High Efficiency)
• eine Aufladegeschwindigkeit, die es ermöglicht, eine vollständige Aufladung in nur 2 Stunden zu erreichen (Fast Charging)
• die Möglichkeit, Aufladungen und Teilaufladungen durchzuführen, die die Lebensdauer der Batterie erhöhen
• keine Wartung, weshalb auch keine Kosten anfallen
• eine hohe Energiedichte, also die Fähigkeit, viel Energie in einem kleinen Volumen zu speichern
• eine lange Lebensdauer, was tausende von Aufladungszyklen bedeutet (Long Cycle Life)
• ein niedriges Gewicht. Sie ist ungefähr 5 Mal leichter als eine Blei-Säure-Batterie
• die Möglichkeit der Wahl verschiedener chemischer Zusammensetzungen auf Lithiumbasis, je nach Fahrzeug oder Gerät, das elektrifiziert werden soll

Es ist eine in jeder Hinsicht leistungsstarke und effiziente Technologie, die in den unterschiedlichsten Umgebungen getestet und validiert wurde und unsere Wahrnehmung sowie unsere Gewohnheiten buchstäblich verändert hat, indem sie zu einem stillen Begleiter unseres Alltags geworden ist. Im industriellen Kontext ist die eigentliche Revolution jedoch das BMS (Battery Management System): das intelligente „Gehirn“, das Sicherheit, ständige Überwachung und maximale Leistung gewährleistet.

Stanley Whittingham und die Entdeckung des Potenzials von Lithium

Der Forscher Stanley Whittingham, der, insbesondere was die Erforschung von Supraleitern anbelangte, sehr aktiv an dieser Front war, entdeckte, dass Lithium, das dritte Element im Periodensystem, ein elektrochemisches Potenzial besaß, das es zu einem äußerst leistungsstarken Bestandteil werden ließ. Es handelte sich nämlich um das leichteste bekannte Metall, dem Festkörperelement mit der geringsten Dichte. Sein herausragendes elektrochemisches Potenzial trug außerdem dazu bei, ausgezeichnete Energieleistungen aufzuweisen und ein geringes Gewicht zu haben.

Aus dieser Erkenntnis die Intuition: Eine Batterie herzustellen, deren Anode teilweise aus Lithium-Metall (das aufgrund seiner Struktur in der Lage ist, seine Elektronen leicht abzugeben) und deren Kathode aus Titandisulfid besteht, das auf molekularer Ebene Lithium-Ionen einbauen (interkalieren) kann. Diese Batterie schien ein optimales Potenzial zu besitzen, nämlich wenig mehr als 2 Volt, eine gute Energiedichte zu haben und bei Raumtemperatur zu funktionieren. Das Hauptproblem, dem Whittigham begegnete, war ihre Sicherheit, da sich eine große Kurzschluss-Gefahr auftat, weil das Lithium-Metall hochreaktiv war.

John Goodenough und die Erhöhung der Batterieleistung

Diese Technologie wurde durch den deutschen Chemiker John Goodenough im Jahr 1980 weiterentwickelt. Er stellte zunächst eine Theorie auf und entwickelte dann eine Batterie, deren Kathode aus Kobaltoxid bestand, einem Element, das in der Lage war, das Potenzial der Batterie auf 4 Volt zu erhöhen. Diese Entdeckung verlieh der Batterie eine höhere Energiedichte, ein geringeres Gewicht und eine höhere Kapazität. Ein wesentlicher Schritt, der einen Grundstein für die Elektromobilität der Zukunft legte (E-Mobility).

Akira Yoshino und die erste Lithiumbatterie

Der Hersteller des ersten vermarktbaren Prototyps einer Lithiumbatterie war jedoch der japanische Chemiker und Ingenieur Akira Yoshino im Jahre 1985. Anstatt reaktives Lithium für die Anode zu verwenden, nutzte er Petrolkoks, ein Kohlenstoffmaterial, das wie Kobaltoxid die Lithium-Ionen der Kathode aufnehmen kann. Anders als bei den anderen zu diesem Zeitpunkt entwickelten Batterien, deren Funktionsweise auf chemischen Reaktionen beruhte, bei denen die Elemente, aus denen die Zelle bestand, zerstört wurden, ermöglichte diese neue Lithiumbatterie einen wahrhaften Lithium-Ionen-Fluss zwischen Anode und Kathode. Das Ergebnis? Die Lithium-Ionen-Batterie: ein leichtes Gerät mit hoher Energiedichte, das Hunderte von Ladezyklen bewältigen kann. 1985 von Akira Yoshino patentiert und 1991 von Sony vermarktet, leitete diese Innovation die Massenproduktion ein. Sie markierte den Beginn einer neuen technologischen Ära, die die Telekommunikation grundlegend veränderte und die Basis für die moderne Elektromobilität legte.

Der internationale Tag der Batterie ist ein idealer Anlass, um über ein Instrument nachzudenken und dabei seine Geschichte und Bedeutung zu beleuchten, das heute aus den allermeisten unserer Tätigkeiten nicht mehr wegzudenken ist.

Die Lithiumbatterie-Branche (Li-Ion) ist heute ein sich ständig weiterentwickelndes Feld, angetrieben von intensiver Forschung und Entwicklung, extremen Labortests und der Integration immer intelligenterer Elektronik. Die Forschung richtet sich auf neue Generationen fortschrittlicher Zellen und Batteriepacks: Ein Schlüsselbeispiel sind Festkörperbatterien (Solid-State Batteries). Diese Technologie verspricht, die Marktregeln neu zu schreiben, indem sie nie dagewesene Sicherheitsniveaus, ultraschnelle Ladezeiten und eine höhere Energiedichte bietet und damit den Weg für bislang unvorstellbare Leistungen öffnet.

Festkörperbatterien (Solid-State Batteries) sind noch in der Entwicklung, werden aber zu einem Schlüsselelement für die Elektrifizierung immer anspruchsvollerer Bereiche werden. Dieses neue technologische Paradigma ermöglicht es, aktuelle Grenzen zu überwinden und dabei hohe Leistung sowie eine überlegene thermische Stabilität zu gewährleisten.

Quellen*

^{Quelle Abb. 1: Porträt von Alessandro Volta. Bild von der Website Britannica.com entnommen am 17/02/23 https://www.britannica.com/biography/Alessandro-Volta
Quelle Video 1: Superquark 2017 – Voltas Batterie – Episode vom 12/07/17 . Video im Besitz von RaiPlay bit.ly/3lEbhcN
Quelle Abb. 2: Aufbau einer Blei-Säure-Batterie. Bild entnommen von der Suzuki Battery Website am 17/02/23 https://suzukibattery.com/history-of-the-lead-acid-battery/ 
Quelle Abb. 3: Wie eine Lithiumbatterie funktioniert. Credits Animation: Sarah Harman and Charles Joyner  https://www.energy.gov/eere/articles/how-does-lithium-ion-battery-work
Quelle Abb. 4: Die Gründerväter der Lithium-Ionen-Batterien. Das Bild stammt von der Website The Guardian am 17/02/2 bit.ly/3S6pag0}