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

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 Entwicklung der Stabbatterie: die Batterie

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 Batterie selbst hat verschiedene Entwicklungsphasen durchlaufen: von den überholten Blei-Säure-Batterien zu den modernen Lithiumbatterien, die in einer Vielzahl von chemischen Zusammensetzung angeboten werden, bis hin zu den neusten und noch fortschrittlicheren Batteriegenerationen, wie beispielsweise die vieldiskutierten Festkörperbatterien, die sich noch in der Entwicklung befinden. Also ein Weg im Wandel, der von uns noch weiter abgesteckt werden wird und geprägt ist, von technologischen Neuerungen und Forschungsergebnissen, die diese Technologie immer leistungsstärker machen werden.

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 in noch vielen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und einigen Industriemaschinen zum Einsatz kommen, sind Blei-Säure-Batterien mittlerweile keine zeitgemäße Lösung mehr und haben eine extrem begrenzte Effizienz und Leistungsfähigkeit, insbesondere im Hinblick auf die niedrige Energiedichte, die starke Begrenztheit ihrer Lebensdauer, die lange Aufladezeit und ihr hohes Gewicht. Nicht zu vernachlässigen ist dabei der ständige Wartungsbedarf, der für ihre einwandfreie Nutzung nötig ist. Viele Sektoren haben deshalb nach und nach auf ihren Gebrauch verzichtet und der Technologie des neuen Jahrtausends einen Platz eingeräumt: der Lithiumbatterie.

Die Erfindung der Lithiumbatterien

Die Lithiumbatterien sind im Jahre 1979 entstanden und wurden – gerade einmal vierzig Jahre alt – bereits von Anbeginn als wahrhaftige Revolution betrachtet. Man muss sich nur vor Augen führen, dass die Gründerväter dieser Technologie, Stanley Whittingham, John Goodenough und Akira Yoshino im Jahre 2019 den Nobelpreis für Chemie dafür verliehen bekommen haben, dass sie ein regelrechtes Werkzeug erfanden, das unsere Art zu leben innerhalb kürzester Zeit vollkommen verändert hat. Lithium-Ionen-Batterien versorgen nämlich die meisten unserer Werkzeuge, Elektrogeräte, Smartphones, Tablets, PCs, Uhren aber auch Fahrräder, Roller, Autos, Industriemaschinen und -fahrzeuge aus den unterschiedlichsten Sektoren. Der größte Teil unserer Geräte, die wir tagtäglich benutzen, funktioniert also dank der Energie aus Lithiumbatterien.

 *[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 %)
• eine Aufladegeschwindigkeit, die es ermöglicht, eine vollständige Aufladung in nur 2 Stunden zu erreichen
• 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
• 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

Eine in jeder Hinsicht leistungsstarke und effiziente Technologie, die in den unterschiedlichsten Bereichen angewendet und geprüft wurde und die buchstäblich unsere Wahrnehmung und unsere Gewohnheiten verändert hat, wobei sie zu einem stillen Gefährten unseres Alltags geworden ist.

Wie sind Lithiumbatterien entstanden und wodurch zeichnen sie sich aus? Das erklären uns die drei Gründungsväter

 *[Abb.4] Die Gründerväter der Lithiumbatterien

Die Geschichte der Batterien beginnt in den 70er Jahren, mitten in der Energiekrise, als die Suche nach Alternativen für fossile Brennstoffe zu den wichtigsten Themen zählte, die auf der Tagesordnung standen.

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.

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? Eine leichte Batterie mit guter Energiedichte und vor allem um hunderte Male wiederaufladbar. Sie wurde 1985 von Yoshino patentiert und von Sony 1991 vermarktet. Sie war Ausgangspunkt für die Massenproduktion und läutete eine neue Ära im Bereich der Kommunikation und Mobilität ein.

Die Zukunft der Elektromobilität lebt von der Forschung

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.

Doch die Forschung auf dem Gebiet der Lithiumbatterien ist ein weiterhin brodelnder Vulkan, der aus detailreichen Forschungsarbeiten, labortechnischen Prüfungen und einer sorgfältigen Auswahl von Bestandteilen und einer immer intelligenter werdenden Elektronik besteht: Heute wird die Erforschung immer neuerer Generationen von Zellen und leistungsstärkerer Batteriepakete fortgesetzt, wie die der Batterien mit Festkörperelektrolyt, um nur einige zu nennen, die einen noch nie dagewesenen Grad der Sicherheit zu bieten scheinen, ultraschnelle Ladezeiten aufweisen und eine immer höhere Energiedichte haben.

Festkörperbatterien sind eine Technologie, die noch im Begriff ist, bestimmt zu werden, die jedoch ein Schlüsselelement für die Elektrifizierung immer anspruchsvollerer Bereiche darstellt.