TEIL C

Weitere Batterie-Technologien

Weitere neu entwickelte chemische Batterien sind die Aluminium/Luft-Batterien des Lawrence-Livermore-Laboratoriums in den USA, Lithium/Aluminium/Pyrit-Batterien mit erwarteten Energiedichten von bis zu 300 Wh/kg (gegenüber den 35 Wh/kg eines Bleiakkumulators), Graphit-Batterien, die an der Universität Duisburg erforscht werden, Lanthan/Nickel- oder Lanthan/Nickel/Kupfer-Batterien, ihr Ersatz durch Kobalt, Silizium oder Aluminium (Versuche bei Philips in Eindhoven), die von Daimler und einigen Batteriefirmen untersuchte zyklenfeste Lanthan/Flourid-Batterie (180 Wh/kg), sowie die erst jüngst im Rahmen einer japanisch-amerikanischen Zusammenarbeit entwickelten sog. Plastikbatterien. Der Akkumulator besteht hier aus Schichten einer Polyacetylen-Folie, die mit dem Elektrolyten (einer Lösung aus Lithiumperchlorat und Popylencarbonat) in einem Glasgehäuse eingeschlossen sind. Diesen sehr leichten Polymerbatterien wird eine glänzende Zukunft versprochen.

Die 1989 von Rainer Partanen gegründete Ab Europositron Oy in Helsinki kassiert bis November 2007 von leichtgläubigen Investoren mindestens 1,3 Mio. € – für die professionell gestaltete Ankündigung einer Aluminium/Luft-Batterie, die in Wirklichkeit jedoch gar nicht entwickelt wurde. Allerdings hatte Europositron 2005 sogar den renommierten Frost & Sullivan Technology Innovation of the Year Award erhalten. Ende 2007 scheint Partanen sich wegen Betrug in Haft zu befinden.

Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) in Itzehoe entwickelt gemeinsam mit der Christian-Albrecht-Universität Kiel einen Leichtbau-Akkumulator aus dünn beschichteten Folien, in dem pastenartige Festkörperelektrolyte anstelle der sonst üblichen Flüssigsäuren zum Einsatz kommen. 1998 wird das Patent angemeldet, ein erstes Funktionsmuster vorgestellt und die Pilotfertigung vorbereitet. Man betont besonders die gesundheitliche Unbedenklichkeit der Lithiumsalze. Problematisch ist allerdings noch die Haltbarkeit der Akkus, die es zu optimieren gilt.

Unter dem Begriff Plastik-Batterien werden teilweise auch die bereits oben behandelten (Lithium-)Polymer-Batterien gemeint. Eine weitere Version präsentiert die Brown University in Providence, Hauptstadt des US-Bundesstaates Rhode Island, im September 2006. In der sogenannten Hybrid-Batterie wird der Strom nicht mehr durch Metalle, sondern durch leitende Kunststoffe erzeugt. In dem System werden die langfristige Speicherkapazität einer Batterie mit der schnellen Ladungsaufnahme und -abgabe eines Kondensators gepaart. Zum Einsatz kommen dünne Streifen von mit Gold-beschichteter Kunststoff-Folie, deren Spitzen mit Polypyrrol und einer Substanz umhüllt sind, welche die Leiteigenschaften verändern. Die Batterie habe dadurch die doppelte Speicherkapazität eines elektrischen Double-Layer-Kondensators – und mehr als 100-fache Leistung einer Standard-Alkaline-Batterie.

Einen Monat später stellt auch die Firma Technology Research Laboratories Inc. aus Port Orange, Florida, eine Batterie vor, die fast ausschließlich aus Kohlenstoff- und Kunststoff-Materialien besteht.

Nicht ganz klar herausfinden konnte ich, was es mit den sogenannten L-Cells der Firma Deeya Energy aus Fremont, Kalifornien, auf sich hat, die ebenfalls aus umweltfreundlichen Materialien bestehen und vollständig recyclebar sind. Die Lebensdauer beträgt laut Firmenangaben 7 Jahre, nach denen die Batterie mit minimalen Kosten ‚renoviert’ wird, um weitere 7 Jahre eingesetzt zu werden, ad infinitum. Die L-Zellen sind wesentlich billiger als NiMH- oder Li-Ion-Akkus, können schnell geladen werden (in 2 h für 4 h h Stromabgabe), benötigen fast keine Wartung und sind außerdem Temperatur-unabhängig.

Am Israelischen Technion-Institut in Haifa wird dagegen das sechswertige Eisen der Ferrat-Salze, das gemeinhin als instabil verworfen wurde, zur Entwicklung einer neuen Batterie genutzt. Dabei hat die Verbindung dieser besonderen Eisenform (‚Super-Iron’) mit Kalium oder Barium das Speichervermögen um etwa 50 % auf 475 Wh/kg bzw. 419 Wh/kg angehoben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese Zellen vollständig verrosten und keinerlei umweltbelastende Schwermetalle enthalten.

Ein anderes israelische Forscherteam entwickelt Ende 2000 eine Magnesium-Batterie, deren Pluspol aus einer Molybdän-Schwefel-Verbindung besteht, während als Batterieflüssigkeit eine ungiftige Magnesium-Aluminium-Verbindung aus der Stoffklasse der Alaune genutzt wird.

Der Chemiker Adam Heller entwickelt Ende 2002 gemeinsam mit weiteren Forschern der Universität Texas in Austin eine Kleinst-Batterie, die Ihre Energie aus der Körperflüssigkeit von Menschen bezieht. Die Bio-Brennstoff-Zelle bezieht ihre Energie aus der Reaktion von Sauerstoff mit Zucker: zwei mit Enzymen überzogene Kohlenstoff-Fasern werden in den Körper implantiert, wo sie dem Zucker Elektronen entreißen und diese auf den Sauerstoff übertragen, so daß ein elektrischer Strom fließt. Bei einer Körpertemperatur von 37ºC und einem pH-Wert von 7,2 erreicht die Batterie eine Leistung von ca. 1,9 Microwatt. Damit eignet sie sich zwar zur Überwachung des Blutzuckerspiegels bei Diabetikern, aber noch nicht für höheren Energiebedarf wie bei z.B. beim Antrieb eines künstlichen Herzens.

Das Institute of Bioengineering and Nanotechnology in Singapur gibt im August 2005 bekannt, eine Batterie entwickelt zu haben, die mit Urin funktioniert. Die papierdünne Batterie liefert mit einem einzigen Tropfen Urin (0,2 Milliliter) eine elektrische Leistung von mehr als 1,5 Milliwatt und soll einfachere und schnellere Krankheitsdiagnosen ermöglichen. Der Urin dient als Energiequelle und wird gleichzeitig analysiert, etwa um die Glukosekonzentration zu bestimmen. Die Batterie besteht aus einer Schicht Filterpapier, das in Kupferchlorid getaucht und zwischen einen Magnesium- und einen Kupferstreifen geklemmt wird. Nach dem Trocknen wird dieses Batterien-‚Sandwich’ zwischen zwei Plastikfolien eingeschweißt, um ein Verschieben der einzelnen Bestandteile zu verhindern. Das Funktionsprinzip der Batterie ist einfach: Wird ein Tropfen Urin auf die Batterie gegeben, wird er vom Papier aufgesaugt. Das Kupferchlorid löst sich und reagiert mit dem Magnesium, wobei Strom erzeugt wird. Die Urinbatterie soll Biochips von Kreditkartengröße ermöglichen, die nach einmaliger Verwendung problemlos entsorgt werden können.

Nach etlichen Verbesserungen liefert ein neuer Prototyp mit einem Tropfen Urin bereits 1,5 V – und das 90 Minuten lang. Er funtioniert aber auch mit anderen Körperflüssigkeiten wie Tränen, Blut oder Sperma.

Ende 2006 präsentiert der japanische Erfinder Susumu Suzuki, Präsident des Tokyoter Baustoff-Herstellers Total System Conductor (TSC), eine Wasser-Batterie, die genauso stark ist wie ein Standard-Mangan-Dioxid-Batterie, und die laut Beobachtern in erster Linie aus Kohlenstoff-Materialien besteht. Der Feuchtigkeitsbedarf sei sehr gering, schon daran zu lecken würde ausreichen, um einige Miliampere zu erzeugen. Bei einer Großproduktion soll sie nur ein Zehntel des heutigen Preises vergleichbarer Batterien kosten. Interessant ist die Batterie insbesondere dadurch, daß sie in trockenem Zustand fast unbegrenzt haltbar ist. Damit bietet sie sich als das ideale System für Notfälle an, das bei Bedarf ausschließlich etwas Wasser benötigt, um aktiviert zu werden.

Im September 2007 kommt unter dem Namen NoPoPo (Non-Pollution Power) eine weitere Urin-Batterie in Japan auf den Markt, die aus Magnesium und Kohlenstoff besteht, 500 mhA leistet, und die man mit einer kleinen Pipette 3 – 5 Mal selbst wiederaufladen kann. Im April 2008 präsentiert die Aqua Power System Japan, Tokio, ihre Batterie auf der Hannover Messe.

Im August 2007 meldet die Presse, daß auch Sony die mobile Stromversorgung mittels einer Bio-Batterie ökologisch verträglich machen will, in der Zucker und Kohlenhydrate Energie erzeugen, ähnlich wie bei der Licht-nutzenden Photosynthese. Erste Testbatterien, die mit einen zuckerhaltigen Fitness-Drink gefüttert werden, leisten bis zu 50 mW. Der Konzern will den Prototyp seiner biologisch abbaubaren Zuckerbatterie nun weiterentwickeln, gleichzeitig prüft er die Möglichkeiten einer breiteren Anwendung, da die zur Herstellung der Batterien benötigten Kohlenhydrate überall leicht aus Pflanzen gewonnen werden können.

Ende 2007 experimentiert man an der University of Colorado Medical School in Denver, USA, mit einer Bio-Batterie die darauf beruht, daß lebende Zellen Ionen durch eine Membran ‚pumpen’ – und damit einen Potentialunterschied aufbauen, der sich nutzen läßt. Eingesetzt werden Nierenzellen, die sich als besonders gut geeignet erwiesen, Ionen zu transportieren. Bei einer einer großen Anzahl von Zellschichten zur Steigerung von Spannung und Leistung können sie vielleicht schon bald Insulin-Pumpen oder Herzschrittmacher mit Strom versorgen.

Ein Forschungsprojekt von 2004 beschäftigt sich mit C-MEMS-3D-Mikrobatterien (Baxel). Die Leistungen aktueller Mikrobatterien liegt bei 20 Mikrowatt bis zu 40 Milliwatt, bei verfügbaren Energien von 100 Mikrowattstunden bis zu fünf Wattstunden. Bei einer weiteren Miniaturisierung nimmt die Kapazität allerdings rapide ab. Einen Ausweg aus dem Problem der Kapazitätsverringerung durch die Verkleinerung der Elektrodenoberfläche und des Elektrolytvolumens könnte die C-MEMS-Technologie (carbon microelectromechanical systems – konventionelle MEMS basieren meist auf Silizium) mit geeigneten neuen Materialien und einer praktikablen Lösung für die Mikrofabrikation zeigen. Die erreichte Zellspannung soll bei ca. drei Volt liegen. Die mittels C-MEMS erzeugten Kohlenstoff-Filme zeigen für ausgewählte elektrochemische Reaktionen in wässrigen und nichtwässrigen Elektrolyten Kenngrößen, die denen von Glaskohlenstoff-Filmen vergleichbar sind.

An der Universität von Kalifornien in Irvine werden ebenfalls leistungsfähige Batterien in Chipgröße entwickelt, wobei den Elektrolyten mehr Raum durch Elektroden geschaffen wird, die an ein Nagelbett erinnern. Die ‚Nägel’ aus Kohlenstoff sind 400 Mikrometer lang und haben voneinander einen Abstand von je 20 Mikrometern. Anoden und Kathoden sind abwechselnd in Reihen angeordnet. Der Elektrolyt befindet sich zwischen den Kohlenstoff-Säulen, die in dieser Form eine stark vergrößerte Reaktionsoberfläche haben. Mittels dieses dreidimensionalen Designs wird der Diffusionsabstand verringert – d.h. durch die Anordnung von Anoden und Kathoden wird die Wegstrecke der Ionen im Elektrolyten klein gehalten – und außerdem ausreichend aktives Material bereitgestellt. Die einzelnen Batterieelemente (Baxel) werden multiplexartig angeordnet. So können einzelne Elektrodengruppen zu- und abgeschaltet werden. Die Batterie ist so in der Lage, auf Wunsch verschiedene Bereiche an Strömen und Spannungen zur Verfügung zu stellen.

Die C-MEMS-Mikrobatterie soll schätzungsweise drei- bis fünfmal mehr Energie erzeugen können als die derzeit erhältlichen kleinsten Mikrobatterien (Stand 2004). Entwicklungsziel sind eine Mikro-3D-Zink-Kohlenstoff-Primärbatterie sowie ein Mikro-3D-Lithium-Ionen-Akku; dabei wird mit verschiedenen 3D-Geometrien und unterschiedlichen Anordnungen von Kathoden und Anoden experimentiert.

Insgesamt werden zur Zeit wohl weit über 100 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten für neue Batteriekonzepte getestet (Stand 2007).

Auf dem Anwendungssektor der Speicherung von Sonnenenergie kommen inzwischen mehr und mehr versiegelte und wartungsfreie Akkumulatoren in Gebrauch. Ab Mitte der 1980er Jahre haben so gut wie alle großen Batterieproduzenten entsprechende Akkus im Angebot.

Da als Anwender von Batterien und Akkumulatoren in erster Linie mobile Systeme infrage kommen, werde ich die Geschichte des Elektromobils (und weiterer elektrisch betriebener Transportmittel) etwas ausführlicher betrachten. Auf Grund des außerordentlichen Umfangs dieser Materialien erfolgt ihre Darstellung im Rahmen eines separaten Dokuments unter dem Titel Mobile Anwendungsbereiche.

Bevor wir jedoch dazu kommen möchte ich noch einen Blick auf einige weitere Batterieformen werfen, die zukünftig in neuen Einsatzbereichen zur Anwendung gelangen werden. Anschließend folgt dann eine Übersicht über andere Speichersysteme für Energie.

Batterie mit Shape-Shifter-Funktion

Ein alter Traum von Ingenieuren im Flugzeug- und Hubschrauber-Bau sind Flügel und Rotoren, die aus Stoffen bestehen, deren Form sich mittels elektrischer Impulse verändern lassen, da eine solche Technik Reichweite und Treibstoffeffizienz dieser Luftfahrzeuge deutlich steigern könnte. Die bisherigen Arbeiten auf dem Gebiet von Batterien mit Shape-Shifter-Funktion basierten zumeist auf piezoelektrischen Effekten, bei denen sich Materialien aufgrund elektrischer Impulse verformen. Am MIT entschied man jedoch, daß sich die Piezo-Technik nicht für ‚Heavy Duty’-Anwendungen im Luftfahrzeugbau eigne. Forscher am MIT untersuchen 2005 daher den neuen Ansatz, der auf dem (eigentlich negativen) Phänomen basiert, daß Batterien auf längere Sicht ihren Geist aufgeben: Wird eine Batterie geladen, bewegen sich die Ionen von einer Elektrode zu anderen, was dazu führt, daß sich das Elektrodenmaterial ausdehnt. Entlädt sich die Batterie jedoch wieder, zieht es sich erneut zusammen. Diese Tatsache führt dazu, dass sich die innere Struktur einer Batterie langsam auflöst – sie bricht auseinander.

Die Forscher suchen daher nach Materialien, die diesen Effekt nicht kennen. Als man durchrechnet, wie viel mechanische Energie der Ausdehnungsprozeß freisetzt, zeigte sich, daß Batterien im Vergleich zu Piezo-Technik das Zehnfache an Energie leisten können, mit den Nachteil der geringen Geschwindigkeit allerdings. Piezo-Technik dagegen kann sich mit mehreren Tausend Zyklen pro Sekunde bewegen, während die Ausdehnung einer Batterie von der Zeit bestimmt wird, die das Aufladen braucht – von etwas über eine Minute bis hin zu einer Stunde. Die Forscher wollen dies nun verbessern, indem sie die Zeit reduzieren, die es dauert eine Batterie aufzuladen. Außerdem arbeitet man an einem Design physisch stärkerer Batterien, welche die mechanische Energie der Elektroden besser nutzen können. Das Endziel ist der Einbau einer ganzen Sammlung von Batterien in ein Rotorblatt, das dann selektiv ‚gemorpht’ werden kann.

Solche Shape-Shifter-Funktionen könnten es den Ingenieuren ermöglichen ein Problem zu vermeiden, das den Hubschrauberbau schon lange plagt: Die Fluggeräte sind für zwei diametral verschiedene Dinge ausgelegt, den Schwebe- und den Bewegungszustand. Das führt dazu, daß sie beides nicht besonders gut können. Wenn man die Form der Rotoren im Flug nun verändern könnte, ließen sich beide Funktionen optimieren. Auch im Flugzeugbau könnte die Veränderung der Flügelform im Flug Verbesserung bei Leistung und Effizienz bringen. Andere Einsatzmöglichkeiten des Batterie-basierten Formwandlers: Solarzellen, die sich aktiv nach der Sonne wenden oder Satelliten-Komponenten, die sich im Weltraum selbständig aufrichten.

SuperCaps (Kondensator-Speicher)

Bereits 1992 melden US-Firmen die Entwicklung neuartiger Super-Kondensatoren, deren Kapazität rund 100.000 mal höher liegt als bei herkömmlichen Kondensatoren. Ein Doppelschicht-Kondensator, wie er auf deutsch genannt wird, besteht aus zwei Elektroden mit großer Grundfläche, die in eine dünne Elektrolytschicht eingetaucht sind. Man lädt einen derartigen Superkondensator, indem man eine Spannung anlegt, worauf sich an den Elektroden mehrere Moleküllagen geladener Ionen sammeln. Dabei handelt es sich allerdings um ein elektrostatisches Prinzip und nicht um einen chemischen Vorgang.

Ursprünglich sollen diese Bauteile dazu dienen, hohe Spannungen für satellitengestützte Laserkanonen des SDI-Projektes zur Verfügung zu stellen. Diese Kondensatoren sollen nun Elektroautos jene Stromspitzen liefern, die beim Anfahren oder starken Beschleunigen nötig sind – wodurch die Batterielebensdauer um das 400fache verlängert wird. Die im kalifornischen Los Gatos entwickelten Bauteile bestehen aus einer Art metallischen Schwamms, dessen Oberfläche bei gleichem Volumen viel größer ist als die bei herkömmlichen Kondensatoren aus Metallfolien. 

Diese modernen Kondensatoren eigenen sich aber auch für die Speicherung von elektrischem Strom. Ihre Energiedichte wird mit 5 – 20 kWs/kg angegeben, und es sind Leistungen bis 10 kW erreichbar. Die Lebensdauer-Zyklenzahl beträgt ca. 1 Million und die Energieeffizienz liegt bei rund 95 %. Die Kosten belaufen sich auf 10 – 20 T€/kWh Speicherkapazität. 

Die SuperCaps können binnen drei bis fünf Minuten geladen werden und liefern während kurzer Zeit auch sehr viel Energie. Anders als bei einer herkömmlichen Batterie kommen hier keine chemischen Vorgänge zum Einsatz, sondern rein physikalische. Das verhindert auch jeden Abnutzungserscheinungen, wie man sie von herkömmlichen Akkus kennt. Herzstück der von Maxwell Technologies entwickelten SuperCaps ist eine Elektrode aus Aluminium. Darauf aufgebracht ist eine Schicht aus aktiviertem Kohlestoffpulver. Wird eine Spannung an die Elektroden angelegt, haften die elektrischen Ladungen daran und bleiben – weil sie sich gegenseitig anziehen – eine Zeit lang dort gespeichert, auch wenn die Stromquelle abgenommen wird. Je kleiner der Abstand zwischen den Elektroden ist, und je größer deren Oberfläche, desto mehr Ladung kann gespeichert werden. Das Kohlestoffpulver auf einem einzigen SuperCap-Wickel hat eine Oberfläche von rund 130 Fußballfeldern.

Obwohl für den Betrieb eines Busses in Luzern fast 1.000 SuperCaps nötig sind, um genügend Energie für die Fahrt vom Verkehrshaus zum Bahnhof zu tanken, ist das Gesamtgewicht wesentlich kleiner als bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug. Außerdem gehen SuperCaps nicht kaputt und ihre Zyklenzahl liegt bei zwei Millionen! In Luzern versorgt eine spezielle Testtankstelle die SuperCaps mit Energie. Das Laden geschieht ohne direkte Berührung per magnetischer Induktion (Stand 2004).

Daß SuperCaps besonders viel Energie speichern können, liegt an der großen Fläche der Elektroden (etwa aus Aktivkohle) und deren geringen Abstand im Nanometerbereich, was wie kleine Kanäle wirkt. Bisher war man allerdings der Meinung, daß es eine prinzipielle Grenze gibt: Wenn man annimmt, daß sich die Ionen vor der Oberfläche sammeln sollen, dürften die kleinen Kanäle eigentlich nicht kleiner sein als die Ionen selbst, vor allem, da diese aufgrund ihrer Ladung normalerweise auch noch von weiteren Molekülen umgeben sind, ihrer Lösungswolke.

Forscher aus den USA und Frankreich berichten jedoch im August 2006, daß es mit einem speziellen Verfahren gelungen sei, Kohlenstoffelektroden zu erzeugen, die Poren von nur 0,6 Nanometern Durchmesser enthielten. Als sie die Speicherfähigkeiten damit aufgebauter Doppelschicht-Kondensatoren untersuchten, zeigte sich, daß das veränderte Material nicht (wie zunächst vermutet) unnütz war, sondern daß es sogar 50 % mehr Ladung speicherte als das Standard-Material. Die Forscher vermuten, daß die Lösungswolke jedes Ions stark verzerrt wird, und das Ion dann trotzdem in die Poren paßt. 

Ein Forscherteam vom CNRS Research Centre on Divided Matter in Orléans findet heraus, daß sich aus Algen qualitativ gute und günstige SuperCaps herstellen lassen, die Materialien erfordern, die extrem rein sein müssen, eine lange Lebensdauer haben und hohe Energiedichten aufweisen. Ebenfalls im August 2006 präsentieren sie Ladungsspeicher aus dem Ausgangsmaterial Alginat – einer zelluloseähnlichen Verbindung aus Braunalgen – die große Energiemengen besonders schnell freisetzen können. Zur Herstellung der Kondensatoren wird das Alginat unter Sauerstoffausschluß auf 600°C erhitzt, und die Überreste mit Salzsäure und Wasser gewaschen, wodurch ein sauberes Pulver entsteht, das mit einem Bindemittel vermischt, erhitzt und in ein breites Elektrodenband gepreßt wird. Dieses Band kann aufgerollt und in die gewünschte Form gebracht werden, um die Algenkondensatoren beliebig in Fahrzeughohlräume einzubauen. Außerdem wiegen sie nur etwa halb so viel wie gleich große Batterien. Die Prototypen haben Energiedichten von 15 bis 16 Wh/kg und liegen damit fast dreimal so hoch wie die Konkurrenzmodelle aus aktiviertem Kohlenstoff. Auch nach über 10.000 Lade- und Entladezyklen verlieren sie nur vergleichsweise wenig ihrer Kapazität. Das Unternehmen SGL Carbon, Kooperationspartner der französischen Forscher, will das neue Verfahren zur Marktreife bringen. Man geht davon aus, daß Superkondensatoren aus Algen in drei Jahren getestet werden können und in etwa zehn Jahren auf den Markt kommen. 

Sehr kleine SuperCaps bringt auch das australische Unternehmen CAP-XX aus Lane Cove unter dem Namen prismatic supercapacitors 2006 auf den Markt. Die Firma wird für ihren bahnbrechenden Nanotechnologie-Prozeß bekannt, mit dem Supercaps von hohen Kapazität (1 Farad und größer) und niedrigem Widerstand (<100 milliohm) hergestellt werden können. Erhältlich sind bereits Einzel-Zellen (2,5V) und Dual-Zellen (4,5 V). 2008 sind auch Hochtemperatur- Supercaps im Angebot (2,75 V und 5,5 V), die bis zu 85°C aushalten.

Eine weitere Firma, die SuperCaps herstellt, ist die 2001 gegründete EEStor Inc. in Cedar Park, Texas, ein Unternehmen, das lieber ohne große Öffentlichkeit arbeitet und bislang noch nicht einmal eine eigene Webpräsenz zu besitzen scheint. Bekannt wird nur, daß es sich bei der hier angewendeten Technik um einen parallelen Plattenkondensator aus Tausenden dünner Blech-Schichten nebst keramischem Bariumtitanat als Dielektrikum handelt, der unter dem Namen Electrical Energy Storage Units (EESU) weltweit vertrieben werden soll. Die Entwicklung soll mehr als 10 Mal soviel Energie speichern können wie eine konventionelle Blei/Säure-Batterie, die Ladezeit beträgt nur wenige Minuten, und die Zyklenzahl sei praktisch unbegrenzt, ohne daß es zu einer Schwächung des Materials kommt.

EEStor kooperiert mit dem kanadischen Kleinwagenhersteller Feel Good Cars und erhält bereits im September 2005 von Kleiner Perkins Caufield & Byers eine Investitionssumme von 3 Mio. $ zur Weiterentwicklung seiner auf Ultrakondensatoren basierenden Technologie.

Der Minderheitsgesellschafter ZENN Motor, der bereits 3,8 Mio. $ in diese Partnerschaft investiert hat, will die SuperCaps eigentlich bereits im ersten Halbjahr 2007 in seinen Elektrofahrzeugen einsetzen, doch erst Anfang 2008 hört man wieder von EEStor, als nämlich bekannt wird, daß das Unternehmen mit dem Luft- und Raumfahrtkonzern Lockheed Martin einen Vertrag abgeschlossen hat, der Lockheed eine exklusive und internationale Lizenz gibt, die neuen Energiespeichersysteme für Anwendungen im Militär- und Heimatschutzbereich einzusetzen. Die Massenproduktion der EEStore-Technologie ist nun für Ende 2008 geplant.

Bereits Mitte 2006 wird die schon 1965 unter dem Namen Maxwell Laboratories gegründete Firma Maxwell Technologies Inc. aus San Diego mit ihren 2,5 V SuperCaps bekannt, die in einem Bereich zwischen 5 und 2.500 Farad angesiedelt sind. Mit einem 10 Farad Caps läßt sich eine rote LED mehr als eine Stunde lang betreiben. Die Energie-Speicherdichte beträgt über 3 Wh pro kg und soll in den nächsten Jahren auf etwa 15 Wh pro kg angehoben werden. Für einen Einsatz in Elektrofahrzeugen müssten sich allerdings mehr als 100 Wh pro kg erreichen lassen.

Ende 2006 stellt das Unternehmen ein kompaktes, vollintegriertes 125 V Modul vor, das als Baustein für die Energieversorgung von Elektromobilen sowie für industrielle Anwendungen bis 1.500 V geeignet ist, wobei in diesem Fall 12 Stück der jeweils 50 kg schweren, robusten, spritzwassergeschützten und in einer Aluminiumhülle verpackten Module in Reihe geschaltet werden. Als Lebensdauer der BOOSTCAP–Module wird eine Zeit von 15 Jahren genannt.

Zu diesem Zeitpunkt gibt es bereits rund 10 Hersteller von Ultracapacitors, zu denen auch die kleine südkoreanische Firma NessCap gehört, deren Produkte bei 2,7 V bis zu 5.000 Farad erreichen. Laut Forschern der University of California handelt es sich dabei um die zu dieser Zeit stärksten Modelle auf dem Markt.

Im März 2007 liest man erstmals auch von einem deutschen Unternehmen, der Wima GmbH & Co.KG aus Mannheim, die Doppelschicht-Super-Kondensatoren mit Kapazitäten von 110F, 200F, 600F und 2700F bei einer Nennspannung von 2,5 V anbietet. Der technische Aufbau besteht aus aktivierter Kohle, als Elektrolyt wird in wässrigem oder organischem Lösungsmittel gelöstes Leitsalz eingesetzt. Die SuperCaps erreichen eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren und verkraften problemlos über 500.000 Lade/Entladezyklen, wobei der Wirkungsgrad deutlich über 90 % liegt. Außerdem ist hier auch die Gefahr einer Zerstörung durch Tiefentladung – wie bei anderen Speichermedien – ausgeschlossen.

Physiker der North Carolina State University finden Mitte 2007 einen Weg zur Verbesserung von Kondensatoren mit hoher Energiedichte, die damit bis zu sieben Mal so viel Energie speichern können, wie herkömmliche Modelle. Als Dielektrikum wird hierbei ein Polymer namens PVDF eingesetzt, das in zwei Formen existiert, polarisiert oder unpolarisiert. Wird dieses Polymer mit einem zweiten namens CTFE gemischt, entstehen Regionen, die ihre Struktur so verändern, daß sie sich zur Speicherung und Freisetzung beispiellos großer Mengen von Energie eignen.

Im August 2007 meldet die russischen Nachrichtenagentur RIA Novosti, daß Physiker des Vereinigten Instituts für Atomforschung in Dubna bei Moskau mit Hilfe von Nanotechnologie einen Superkondensator konstruiert haben. Dabei werden kleinste Goldpartikel in eine nur 0,5 mm dicke Siliziumfolie eingepreßt, wobei sich die Eigenschaften des Materials derart stark ändern, daß ein Zylinder mit einem Durchmesser von nur 3 cm etwa 900 Mal mehr Energie speichern kann als eine Autobatterie.

Die weiteren Entwicklungen auf diesem Sektor sind zunehmend mit der Nanotechnologie verbunden (s.u.).

Nukleare Mikrobatterie

Thermoelektrische Generatoren auf der Basis von Radioisotopen (RTG, Radioisotope Thermoelectric Generators) werden seit den 1960er Jahren in Dutzenden von Raumfahrtmissionen eingesetzt. RTGs verwandeln mittels des Seebeck-Effekts Wärme in Elektrizität. Die meisten der etwa waschmaschinengroßen RTGs der NASA verwenden Plutonium-238, dessen hochenergetische Strahlung eine enorme Wärme produzieren kann. Nachteilig ist, daß sich RTGs nicht in kleinem Maßstab bauen lassen.

In den physischen Größenordnungen von MEMS (micro electro mechanical systems) wird das Verhältnis zwischen der Oberfläche des Objekts und seinem Volumen sehr groß. Die relativ große Oberfläche verhindert eine ausreichende Reduzierung von Wärmeverlusten, wodurch die Arbeitstemperatur zum Betreiben eines RTG nicht aufrechterhalten werden kann.

Seit einigen Jahren arbeiten Forschungsgruppen der Cornell-Universität und der Universität Wisconsin-Madison daher an Mikrobatterien, die ihre Energie aus dem radioaktiven Zerfall künstlicher Radioisotope wie Nickel-63 oder Tritium beziehen. Eine winzige Menge Nickel-63 (Halbwertszeit ca. 100 Jahre) oder Tritium (Halbwertszeit 12 Jahre) reicht aus, um ein MEMS über längere Zeit zu betreiben. Die während des Zerfalls freigesetzten Beta-Partikel durchdringen in den meisten Feststoffen und Flüssigkeiten nicht mehr als 25 Mikrometer, so daß die Batterie auch in einer einfachen Plastikverpackung sicher eingebaut werden kann.

Als kommerzielle Anwendungsbereiche gelte Mobiltelefonen oder PDAs. Die kleinen Nuklearbatterien werden zwar nicht genug Strom für den Betrieb selbst liefern können, aber die Bündelung einiger Einheiten könnte deren Ladungen in die verwendeten konventionellen chemischen Batterien einspeisen und so deren Betrieb ohne ein erneutes externes Aufladen über Monate gewährleisten – oder dieses sogar gänzlich überflüssig machen.

Einer der enthusiastischsten Unterstützer der Energiequellen-Miniaturisierung ist die DARPA (Defense Advanced Projects Agency), die bereits von zahlreichen Anwendungen auf dem Schlachtfeld träumt. Sich selbst mit Energie versorgende, zuckerwürfelgroße Sensoren könnten über das Gelände verstreut werden, um dort über Monate Bodenvibrationen und Temperaturschwankungen aufzuzeichnen und die Daten an tieffliegende Flugkörper zu senden. Schließlich sollen nukleare MEMS auch zur Energieversorgung sensorbestückter Überwachungs-Mikroflugzeuge eingesetzt werden.

Die im September 2004 vorgestellten nuklearen Mikrobatterien benötigen keine Betankung oder Wiederbeladung und können entsprechend ihrer Halbwertszeit trotzdem genug verwertbare Energie liefern. Die Effizienz der Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie ist wie bei großen Kernkraftwerken sehr gering (ca. 4 %) aber die extrem hohe Energiedichte des radioaktiven Materials trotzdem eine signifikante Energieerzeugung möglich macht. Im Rahmen des sogenannten Radio Isotope Micro-power Sources-Projekts, das Teil eines neuen DARPA-Programms ist, wird daran gearbeitet die Effizienz auf 20 % zu erhöhen.

Eine Form der bislang entwickelten Mikrobatterien wandelt die Energie der emittierten Teilchen der radioaktiven Quelle direkt in elektrischen Strom um: Eine kleine Menge Nickel-63 wird in die Nähe einer Silizium-p-n-Sperrschicht – einer Diode – plaziert. Die emittierten Beta-Partikel ionisieren die Atome in der Diode. Die gebildeten Elektronenpaare und Löcher fließen von der Sperrschicht weg und produzieren so einen Strom. Mit 0,1 Millicurie Nickel-63 können ca. drei Nanowatt erzeugt werden, genug für Applikationen wie nanoelektrische Speicher und einfache Prozessoren für ökologische oder militärische Sensoren, wie sie gegenwärtig entwickelt werden. Eine Kaskadierung mehrerer Ausleger soll bis zu 200 Nanowatt bei 3,3 Volt ermöglichen.

Die Erhöhung der Anzahl von Auslegern und deren Schaltung in Reihe kann den Betrag der erzeugten Energie stark erhöhen. Im Jahr 2004 wird bereits ein briefmarkengroßes Array mit einer Million Auslegern entwickelt. Das Ein-Ausleger-System generiert Pulse mit einer Spitzenleistung von 100 Milliwatt; bei vielen Auslegern und Nutzung der Pulsenergie über Stunden können Mikrobatterien beträchtliche Strommengen in Batterien einspeisen.

Eine Herausforderung bildet allerdings die Verfügbarkeit preiswerter Radioisotope, die einfach in elektronische Geräte integriert werden können. Ein Millicurie Nickel-63 kostet ca. 25 US-$, viel zu viel für eine Massenfertigung. Eine preiswerte Alternative ist Tritium, das in einigen Kernreaktoren in großen Mengen als Nebenprodukt anfällt. Die für eine Mikrobatterie benötigte Menge kostet hier nicht mehr als einige Cents.

Das Nuklearbatterieprojekt der Universität Rochester entwickelt 2005 eine verbesserte Produktionsmethode für nukleare Batterien, welche diese schon in ihrer Form als Prototypen 10 Mal effizienter macht als bisherige Nuklearbatterien, wie sie derzeit insbesondere in U-Booten eingesetzt werden. Die Forscher hoffen, mit weiteren Verfeinerungen dieses Prototyps eine sogar 200-fache Effizienz erreichen zu können.

Die verwendete Methode der Betavoltaik (s.u.) gibt es zwar bereits seit einem halben Jahrhundert, doch mit der neuen Technologie, bei der die vorhandene Technik von zweidimensionalen auf dreidimensionale Modelle umgestellt wird, und gleichzeitig bei den chemischen Prozessen auf Entwicklungen aus der Solartechnik zurückgegriffen wird, soll sich aus den selben Effekten wesentlich mehr Energie gewinnen lassen.

Radioaktiver piezoelektrischer Generator

Im Gegensatz zu Nuklearbatterien produzieren radioaktive piezoelektrische Generatoren die Elektrizität indirekt, denn die Strahlungsenergie wird hier zunächst in mechanische Energie und erst anschließend in oszillierende Pulse elektrischer Energie umgewandelt. Infolge der gepulsten Energieabgabe ist die unmittelbare Leistung viel höher als bei direkter Wandlung. Die Beta-Partikel treten aus der radioaktiven Quelle (Nickel-63-Film) aus und treffen auf eine Kupfer-Folie, in der sie sich ansammeln und diese negativ aufladen. Die elektrostatische Anziehung zwischen Kupfer-Folie und der radioaktiven Quelle verbiegt den Silizium-Ausleger und die auf seiner Oberseite angebrachte piezoelektrische Platte solange, bis die Kupfer-Folie die radioaktive Quelle berührt. Nun fließen die Elektronen zurück und die Anziehung ist beendet – und der Ausleger schnellt zurück und wird dabei in Schwingungen versetzt. Die mechanische Belastung verschiebt dabei die Ladungsverteilung innerhalb der piezoelektrischen Kristallstruktur und erzeugt so einen elektrischen Strom. Dieser Lade-Entlade-Zyklus des Auslegers wiederholt sich kontinuierlich. Die erzeugten elektrischen Pulse können gleichgerichtet und geglättet werden um Gleichstrom zu erzeugen. Wird ein magnetisiertes Material am Ausleger befestigt, kann durch dessen oszillierende Bewegungen auch innerhalb einer Spule Elektrizität erzeugt werden.

Eine andere Anwendung ergibt sich aus der direkten Nutzung der mechanischen Energie ohne Umweg über die Umwandlung in Elektrizität. Die Bewegung von auf Auslegern basierenden Systemen könnten MEMS-Motoren, -Pumpen und andere mikro-mechanische Geräte betreiben.

Betavoltaische Zelle (QynCells)

Betavoltaik ist ein mit der Photovoltaik vergleichbares Verfahren zur direkten Umwandlung von Beta-Strahlung in elektrische Energie mit Hilfe von Halbleitern.

Betavoltaische Zellen nutzen das Radioisotop Tritium als Energielieferant, das einem nur sehr langsamen Zerfallsprozeß ausgesetzt ist. Der Strom wird erzeugt, indem Betateilchen kontinuierlich an umgebende Halbleiter-Schichten abgegeben werden. Da bei dieser Reaktion keine Wärme entsteht, eignen sich die Batterien auch für Laptops oder Handys.

Die von der CIA im September 1999 gegründete Beteiligungsgesellschaft  In-Q-Tel soll die Entwicklung kommerziell verwertbarer Techniken anschieben, die für die nationale Sicherheit und die ‚Intelligence Community’ nützlich werden könnten. Präsident des Unternehmens ist Gilman Louie, ein ehemaliger Videospiel-Entwickler (Falcon-F16-Flugsimulator), der durch seine Rolle bei der Verbreitung des Computerspiels Tetris in den USA bekannt wurde. Das ursprünglich als fünfjähriges Experiment angelegte Projekt bekommt durch den 11. September 2001 weiteren Auftrieb.

Ende 2005 erfährt man, daß das bisher größtenteils auf Vorhaben zum ‚Knowledge Management’ ausgerichtete Unternehmen sein Portfolio nun auch auf alternative Energiequellen ausdehnt. Als erste Firma wird Qynergy unter Vertrag genommen. Das Unternehmen befasst sich mit Lösungen für eine stabile Energieversorgung von Mikrosystemen und MEMS (micro electro-mechanical systems) über lange Zeiträume. ß-Strahler wie 33P (Halbwertszeit: 25,3 Tage) oder 147Pm (Halbwertszeit: 2,62 Jahre) wandeln die Energie der freigesetzten Elektronen an einem Halbleiter (z.B. Siliziumcarbid) in Elektrizität um. Diese betavoltaischen ‚QynCells’ sind flexibel skalierbar – von Kubikmillimetern zu Kubikzentimetern, mit Leistungen von Mikrowatt bis Milliwatt.

Im Juli 2005 wird mir eine Innovation des bereits 2001 gestorbenen Dr. Paul Browns bekannt, die unter dem Namen Resonant Nuclear Battery läuft. Der Forscher hatte sich seit den 1980ern mit der Weiterentwicklung des betavoltaischen Effekts beschäftigt, und im Netz befinden sich neben den Patenten auch diverse Berichte und Erklärungen dazu.

2007 meldet das U.S. Air Force Research Laboratory einen Durchbruch bei der Wirkungsgradsteigerung von Betavoltaischen Zellen, so daß zukünftige Batterien mit einer einzigen Ladung etwa 30 Jahre lang funktionieren können. Die Forscher betonen, daß dabei weder Strahlung noch giftiger Abfall produziert wird. Die Markteinführung soll in 2 – 3 Jahren erfolgen.

Nano-Batterie

Eines der ersten Patente (US 6.528.211) in diesem Sektor wird bereits am 24.04.2000 von Forschern des japanischen Unternehmens Kawasaki eingereicht. Dabei handelt es sich um Elektroden-Material, das aus einem Verbundwerkstoff besteht, welcher von Faser-Zusammenballungen mit Mikro-Poren durchsetzt ist. Diese Zusammenballungen bilden sich durch verschlungene Massen von Kohlenstoff-Fasern, die aus einem Kohlenstoff-Dampf heraus zum Wachsen gebracht werden.

2002 arbeitet ein Team an der University of Florida mit Finanzierung des U.S. Office of Naval Research am Einsatz von Nano-Werkstoffen zur Verkleinerung und insbesondere zur Gewichtsreduzierung von Batterien. Drei Jahre später kreuzen Wissenschafter des Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems (LEES) am Massachusetts Institute of Technology (MIT) die altbekannte Kondensatoren- mit der neuen Nano-Technologie. Das Problem von Kondensatoren besteht darin, daß ihre Leistungsfähigkeit von der Elektrodenfläche abhängt, und deshalb sehr große Flächen benötigt werden, um z.B. die Speicherwerte von herkömmlichen chemischen Energieträgern zu erreichen.

Im Dezember 2005 stellen die MIT-Forscher einen wiederaufladbaren Nano-Akku vor, dessen Elektroden von feinsten Nano-Fasern aus Kohlenstoff, etwa 30.000 Mal dünner als ein menschliches Haar, wie ein Pelz umkleidet sind und damit für die nötige große Oberfläche sorgen. Sie sind dabei etwa 100.000 Mal länger als ihr Durchmesser. Man geht davon aus, daß der angestrebte Akku, der unter dem Namen Ultra-Battery firmiert, bis zu mehrere hunderttausend Mal aufgeladen werden kann, wobei das Aufladen künftig nicht mehr mehrere Stunden, sondern nur noch wenige Sekunden dauern soll. Die immense Steigerung der Stromspeicherfähigkeit wird damit erklärt, daß die Speicherkapazität des elektrischen Feldes auf eine atomare Ebene angehoben wird.

In Rußland arbeiten Forscher des JINR Scientific Centre for Applied Research (SCAR) 2005 ebenfalls an Nano-Batterien, wobei hier Metallpartikel in Nano-Größe in eine Polymer-Matrix eingesetzt werden.

2006 wird aus Frankreich gemeldet, daß Wissenschaftler zweier Universitäten mittels nanotechnologischen Methoden eine Elektrode für Lithium-Batterien entwickelt haben, die wesentlich kraftvoller und dabei auch noch kleiner ist als die herkömmlichen Modelle. Zum Tragen kommen dabei sogenannte Nanorods, die als Anker des aktiven Material dienen, welches diese Fibern umhüllt. Die Fläche von 1 cm² der Elektrode wird durch die Nanorods auf 50 cm² gesteigert.

Anfang 2007 melden Wissenschaftler der Universität von Tel Aviv, daß sie im Laufe einer vierjährigen Forschung eine neuartige Lithium-Ionen 3D-Nanobatterie entwickelt haben. Sie nutzen dabei ein Silikon- oder Glassubstrat, in dem eine Matrix aus 50 Mikron durchmessenden und 500 Mikron tiefen Löchern entsteht, von denen jedes einzelne wie eine unabhängige Mikrobatterie mit einer Leistung von 8 – 10 Mikrowatt funktioniert. Eine Fläche von 1 cm² dieser Nanobatterie leistet dadurch 150 – 200 mW. Das System gilt als besonders sicher, weil selbst Kurzschlüsse in einigen wenigen Mikro-Batterien die Gesamtkapazität kaum signifikant verringern. Einsatzbereiche ihrer Batterie sehen die Wissenschaftler neben dem Konsumbereich auch insbesondere bei der RFID-Technologie (Radio Frequency Identification), bei Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS) und bei dem sogenannten ‚smart dust’ – winzig kleine, unterhalb der Sehbereichs angesiedelte halbautonome Nanomaschinen, die für sehr unterschiedliche Einsatzgebiete konzipiert werden, darunter natürlich auch Überwachung und mititärische Anwendungen.

Im Oktober 2007 erscheinen in den Blogs Fotos zukünftiger US-Soldaten, in deren Uniformstoffe Nano-Fasern eingewoben sind, welche die Funktion von Energiespeichern und -lieferanten übernehmen können. Machbar wird diese Entwicklung durch eine neue Extrudermaschine, die in der Lage ist, verschiedene Materialien auf Nanomaßstab miteinander zu organisierten Fasern zu verbinden.

Ende 2007 vermelden auch Forscher des Department of Materials Science and Engineering der Universität Stanford die Entwicklung einer Nanodraht-Batterie auf Lithiom-Ionen-Basis, die eine 10-fach größere Speicherkapazität als die herkömmlichen Systeme haben soll. Ein Laptop ließe sich damit rund 20 Stunden betreiben, bevor seine Batterie wieder aufgeladen werden muß. Die Nanofasern aus Silizium bilden eine wichtige Alternative zu den bisherigen Graphit-Annoden.

Papier-Batterie

Eine relativ junge Entwicklung bilden die sogenannten Papier-Batterien, die diesen Namen ihrer äußerlichen Ähnlichkeit mit Papier verdanken. Sie sind extrem flach, elastisch und lassen sich biegen oder knicken.

Die erste Erwähnung datiert auf Ende 2005, als Forscher des japanischen Unternehmens NEC über die Entwicklung ihrer Organic Radical Battery (ORB) berichten, die nur 0,3 mm dick ist und sich innerhalb von 30 Sekunden wiederaufladen läßt. Das Material der ORB-Zelle besteht aus einem umweltneutralen Gel-Elektrolyten, und pro cm² leistet die Zelle 1 mWh.

Der organische Akku mit einem Gewicht von 88 g und Abmessungen von nur 55 x 43 x 4 mm soll bis zu 35 W bereitstellen und in der Lage sein, mit vier in Reihe geschalteten Einheiten kurzzeitig einen typischen 140 W PC zu versorgen und diesen im Falle eines Stromausfalls sogar selbständig herunterzufahren. Die Akkus nutzen einen elektro-chemischen Prozeß organischer Radikalverbindungen, den NEC erstmals 2001 vorgestellt hatte.

Ende 2006 berichten koreanische Forscher des Unternehmens Rocket über eine ähnliche Entwicklung unter dem Namen Paper Power Cell.

Wissenschaftler der japanischen Waseda University veröffentlichen im März 2007 die Meldung, daß man eine neue Batterie auf Grundlage eines Redox-aktiven, organischen Polymers entwickelt habe, die sich in weniger als einer Minute aufladen läßt und eine Lebensdauer vor über 1.000 Zyklen besitzt. Die Zelle aus Nitroxid-Radikalen ist 200 nm dünn und kann sich nicht selbst entladen.

Im April 2007 beschreibt Gilles Dennler, ehemals Professor am Institut für Organische Solarzellen der Johannes Kepler Universität in Linz, und inzwischen bei dem Solarenergie-Startup Konarka Technologies in Lowell, Massachusetts, beschäftigt, die Entwicklung einer flexiblen Batterie, die nicht mehr aufgeladen werden muß. Sie ist das Ergebnis einer dreijährigen gemeinsamen Forschung von fünf Ländern im Rahmen des European Polymer Solar Battery Project. Der Trick ist die Kombination einer organischen Dünnschicht-Solarzelle mit einer neuartigen Polymer-Batterie, mit deren Hilfe sich die Batterie ständig selber wiederaufladen kann, sobald sie dem Licht ausgesetzt wird. Prototypen der Solar-Batterie wiegen nur 2 g, sind weniger als 1 mm dick und liefern etwa 0,6 Volt.

Die genutzte organische Solarzelle ist die von Konarka selbst entwickelte Kombination elektrisch leitender Polymere und Fullerene mit einer Lebensdauer von rund 3.000 Stunden, während die ultra-dünne Lithium-Polymer-Batterie von dem deutschen Forschungspartner VARTA-Microbattery entwicklet wird. Diese Zell ist nur 0,1 mm dünn und kann mehr als 1.000 Mal wiederaufgeladen werden – Einsatz findet sie bereits im neuen iPod von Apple. Die Rechte an der neuartigen Kombination von Solarzelle und Speicherzelle (wohlgemerkt, eine Innovation, für die es fünf Länder gebraucht hat!!) liegen bei Konarka, das die Batterie aber nicht selbst vermarkten möchte, warum auch immer...

Forscher des Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York, stellen im August 2007 eine weitere Papier-Batterie vor, die ebenfalls völlig ungiftig ist. Im Gegensatz zu früheren Versuchen durchbrechen sie den typischen Aufbau einer Batterie, bei der Elektrolyte und Elektroden durch eine Zwischenschicht getrennt werden.

Stattdessen konstruierten die Wissenschaftler ein Kompositmaterial. Dabei werden Kohlenstoff-Nanoröhrchen sowie ein Elektrolyt in ein Papier-Substrat eingebracht, wobei sich die Komponenten molekular miteiander verbinden. Das Ergebnis aus 90 % Zellulose wiegt genau soviel wie Papier, sieht so aus und fühlt sich auch so an. Es kann gerollt, gefaltet und sogar gestapelt werden, um mehr Leistung zu erzielen. Da das Papier biologisch mit menschlichen Gefäßen kompatibel ist, läßt es sich für medizinische Implantate einsetzen – zum Aufladen kann die Batterie menschlichen Schweiß oder Blut nutzen.

Die Arbeitstemperatur dieser Technologie beträgt zwischen minus 78°C und plus 150°C, die Zahlen variieren in den verschiedenen Quellen geringfügig.

Vanadium-Redox-Batterie

Die Vanadium-Batterie begegnet mir erstmals in dem IPTS Report der Europäischen Kommission vom Juli 1999, wo sie wegen ihrem simplen Aufbau, dem hohen Wirkungsgrad, der Fähigkeit in beliebigem Ladezustand in Bereitschaft zu bleiben und der Möglichkeit zu schnellem Laden durch elektrisches Aufladen oder durch einen Elektrolytwechsel als sehr interessante Alternative beschrieben wird. Zu jenem Zeitpunkt wird in Japan bereits eine große Batterie mit 200 kW und 800 kWh getestet.

Der elektrochemische Energiespeicher basiert auf der Oxidation und Reduktion von Vanadium in einer Lösung aus Schwefelsäure in Wasser. Anders als in den üblichen Batterien ist die Energie hier in zwei flüssigen Elektrolyten gespeichert. Diese beiden Elektrolytlösungen enthalten Vanadiumionen in den Oxidationsstufen 2+ und 3+ (negativer Elektrolyt) bzw. 4+ und 5+ (positiver Elektrolyt). Die Zellenspannung beträgt im geladenen Zustand 1,35 V. Man kann also sagen, daß die Energie in einer metallischen Flüssigkeit gespeichert wird.

Das wesentliche Element dieser Batterie ist damit die Tatsache, daß der Elektrolyt hier nicht in der Zelle eingeschlossen ist, sondern nach Bedarf aus separaten Tanks zugeführt wird. Das Laden erfolgt, in dem der vanadiumhaltige Elektrolyt durch die Reaktionszelle der Batterie gepumpt, unter Stromzufuhr in einen Zustand mit höherem Energiegehalt umgewandelt und danach in den Tanks gelagert wird. Wird der Strom wieder benötigt, gibt der Elektrolyt seine Energie beim erneuten Durchfließen der Reaktionszelle wieder ab. Die Reaktionszelle selbst besteht aus zwei Elektrodenkammern mit Graphitfilz-Elektroden und einer ionenleitenden Membran dazwischen. In ihrer Konstruktion stellt die inzwischen Vanadium Redox Batterie genannte Zelle daher so etwas wie eine reversible Brennstoffzelle dar. Das Metall Vanadium wird insbesondere im Westen Australiens abgebaut und zur Veredelung von Stählen genutzt.

Danach dauert es einige Jahre, bis man wieder etwas darüber liest. Erst 2005 melden die Blogs Neuigkeiten über die Vanadium Redox Batterien, die in Japan bereits in großem Umfang eingesetzt werden sollen. Motor der Entwicklung ist das kanadische Unternehmen VRB Power Systems aus Vancouver. VRB plant durch eine Massenfertigung eine Kostensenkung um 30 %, da es sich dann sogar lohnen würde, Vanadium-Batterien einzusetzen um den Unterschied zwischen Tag- und Nachtstrom auszunutzen.

Eine Untersuchung, welche die US-Industrieforschungseinrichtung Electric Power Research Institute in Palo Alto, Kalifornien, im November 2007 veröffentlicht, bescheinigt der Vanadium-Redox-Batterie künftig eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung und der effizienteren Gestaltung und dem besseren Schutz der notorisch unzuverlässigen nordamerikanischen Stromnetze. Schon im September 2006 hatte der Stromversorger American Electric Power (AEP) mit Sitz in Ohio von VRB Power Systems die ersten drei dieser Batteriesysteme bestellt, die jeweils mehrere MWh speichern können. Bis 2010 will man insgesamt 25 MWh und bis 2020 sogar 1 GWh Speicherkapazität erreichen.

In Österreich wird 2000 die Cellstrom GmbH gegründet, mit Firmensitzen in Eisenstadt und in Brunn am Gebirge bei Wien. 2008 bietet das Unternehmen mit seinem Energiespeichersystem FB10/100 eine ausgereifte Vanadium Redox Durchfluß-Batterie an, die mitsamt der zugehörigen Leistungselektronik in einem wetterfesten Gehäuse untergebracht ist. Das betriebsfertige Komplettsystem hat eine Leistung von 10 kW und liefert eine Energie von 100 kWh.

Redox-Flow-Batterie

In Deutschland arbeitet Anfang 2008 das Institut für Stromrichtertechnik und elektrische Antriebe der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen an einem Redox-Flow-System. In einem Filmbericht darüber im Februar 2008 wird betont, daß das System weitgehend verschleißfrei arbeitet und daß die benötigte Flüssigkeit nur alle 40 Jahre ausgetauscht werden muß. Die Einheiten, an denen das Institut gemeinsam mit der Solon AG arbeitet, produzieren jährlich 10.000 kWh elektrische Energie – was dem Maximalverbrauch eines Vierpersonenhaushalt entspricht. Der Prototyp ist allerdings drei Mal so groß wie das angestrebte kommerzielle Produkt, außerdem müsse man noch an der Kostenfrage arbeiten.

Über den Einsatz der Technik in Verbindung mit Elektrofahrzeugen, die dann einfach mit dem energie-geladenenen Treibstoff ‚betankt’ werden, liest man allerdings noch kaum etwas.

Auf der Hannover-Messe im April 2008 stellen Fraunhofer-Forscher eine Redox-Flow-Batterie vor, mit der sich verschiedene Elektrodenmaterialien, Membranen und Elektrolyte flexibel testen lassen.

Peripherinformationen

Aus Somerset West in Südafrika meldet Jan Human im März 2007 die Entwicklung und Patentierung des Prinzips einer Hybrid-Batterie, die gleichzeitig ge- und entladen werden kann (was m.W. bislang als unmöglich galt). Er hätte sieben Jahre daran gearbeitet.

Unter dem Namen Massively Intermoduled Battery (MIB) präsentiert Device Conduit Technologies aus San Francisco im August 2007 ein neues Batteriepack für Elektromobile, das kostengünstige Reichweiten bis zu 480 km ermöglichen soll. Das Unternehmen spricht von einer ‚funkgesteuerten Zusammenschaltung marktüblicher Batterien’, ohne jedoch deren Menge oder Typ bekanntzugeben.

Im Sommer 2008 mischt ein Versprechen die Szene auf: US-Präsidentschaftskandidat John McCain sagt bei einer Rede an der Fresno State University in Kalifornien demjenigen Entwickler 300 Mio. $ zu, der einen leistungsfähigen, neuen Akku zum Betrieb von Elektromobilen präsentiert.

Es ist jedoch nicht immer nur Elektrizität, die gespeichert werden soll. Nachfolgend stelle ich verschiedene andere mechanische, chemische und thermische Speichersysteme vor – beginnend von der Druckluftspeicherung, die inzwischen auch für Kraftfahrzeuge genutzt werden kann.

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