Physikalische ChemieDie Batterie der Zukunft
Für den Umstieg auf Elektromobilität brauchen wir Batterien. Wie die noch leistungsstärker und ressourcenschonender gebaut werden können, daran forscht Jürgen Janek. In seinem Vortrag erklärt er, wie die Batterie der Zukunft aussehen könnte.
Die Energieminister der EU haben das weitgehende Aus des Verbrennungsmotors ab 2035 beschlossen. Alleine in Deutschland haben wir etwa 50 Millionen Personenkraftfahrzeuge. Wenn diese alle mit Elektroantrieb fahren sollen, brauchen wir sehr viel mehr Akkus.
Jürgen Janek forscht daran, wie wir aufladbare Batterien noch leistungsstärker und ressourcenschonender produzieren können. Er ist Direktor des Zentrums für Materialforschung der Universität Gießen sowie Direktor des Gemeinschaftslabors "Battery and Electrochemistry Laboratory“ von BASF und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Das beste Material für Batterien
Tatsächlich fuhren die ersten Autos ausschließlich mit Elektroantrieb. Vor gut 100 Jahren waren Elektroautos 32 Kilometer pro Stunde schnell und konnten 130 Kilometer weit fahren. Damals brauchte ein Elektroauto sechs Kilowattstunden pro 100 Kilometer, heute sind die Autos (und Menschen) anspruchsvoller und brauchen fünfzehn bis zwanzig Kilowattstunden auf 100 Kilometer.
"Wenn Sie ein Elektrofahrzeug haben, möchten Sie schneller tanken, Sie möchten auch nicht so oft tanken. Wir alle haben unsere persönlichen Bedarfe, wenn es um Batterien geht."
Eine elektrisierte Fahrzeugflotte ist ein verteilter Energiespeicher von 3.800 Gigawattstunden, sagt der Physikochemiker. Das ist ein Vorteil, wenn wir unsere Stromerzeugung ganz auf erneuerbare Energien umstellen. "Ich denke der Mobilitätssektor muss transformiert werden," sagt Jürgen Janek. "Es ist aber eine große Aufgabe für die Chemie und die Gewinnung von Rohstoffen."
In einer Batterie wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und somit gespeichert. Wie eine Batterie funktioniert, ist hier kurz erklärt.
"Wie weit können wir eigentlich Batterien an ihre Leistungsgrenzen bringen, also wirklich höher, weiter, schneller?"
Doch sind Akkus nicht beliebig oft wiederaufladbar. "Alle Materialien, die etwas einspeichern, ändern ihr Volumen. Das Lithium geht hinein und wieder heraus, die Speichermaterialien atmen quasi", erklärt Jürgen Janek. Durch die Volumenänderung werden die Materialien nach und nach brüchig und gehen schließlich kaputt. Wir merken das daran, dass unser Akku nicht mehr so lange hält. Weltweit wird daran gearbeitet, durch geeignete Veränderung der Materialienzusammensetzung, Batterien zu bauen, die länger halten, bei denen das Material also nicht so schnell brüchig wird, sagt Jürgen Janek.
"Und wenn das alles nichts hilft und wir auch nicht so viel erneuerbare Energie kriegen, dann werden wir nicht drum herumkommen, unsere Fahrzeugflotte zu reduzieren und vielleicht unsere Reichweiten einzuschränken."
Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid ist eine sehr verbreitete Materialzusammensetzung in Batterien, da diese Kombination sehr langlebig ist. Weil Lithium und Kobalt aber knappe Ressourcen sind, forschen Physikochemiker wie Jürgen Janek daran, auch mit anderen Materialien leistungsstarke Batterien zu bauen. Welche Vor- und Nachteile alternative Materialverbindungen haben, erklärt Jürgen Janek in seinem Vortrag.
Der Vortrag von Jürgen Janek heißt "Weiter, schneller, nachhaltiger – Materialforschung für Hochleistungsbatterien" und er hat ihm am 21. März 2023 beim gemeinsamen Frühjahrsempfang der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina und des Leopoldina Akademie Freundeskreises e. V. gehalten.