allTEIL C

ENERGIESPEICHERN


Bei vielen Methoden der Exergieseparation ist ein zusätzlicher Speicher für diese Exergie bzw. für Sekundär- bzw. Tertiärenergieformen notwendig. Aus diesem Grund werde ich hier einen Überblick über die bislang bekannten entsprechenden Möglichkeiten geben.

Das größte Interesse besteht heute an der Speicherung von Elektrizität. Wenn wir also eine alternative Energiewirtschaft mit Solarzellen, Wind- und Wellenfarmen usw. anstreben, dann ist es offensichtlich, daß hierbei ausreichende Speichersysteme für Nachtstunden, Flauten, Regentage und die Wintermonate notwendig werden.

Gerade deshalb ist es befremdlich, wie lange neue Speichermethoden kaum erforscht und entwickelt werden, verfügbare Informationen darüber sind selten, und sogar die Förderung neuer Speichermethoden wurde stark zurückgeschraubt. [Anm.: Ich schrieb dies 2006, inzwischen sind ordentliche Fortschritte gemacht worden, über die ich weiter unten noch ausführlich eingehen werde.]


Die Energiespeicher früherer Zeiten waren im Grunde Holz, Öle und Fette. Erst mit dem Siegeszug der Erdölprodukte kamen neue, zumeist flüssige Medien auf den Markt, die auch noch heute den Bereich der Energiespeicherung dominieren.

Ein besonders großes Interesse wird dem Transportbereich entgegengebracht – und hier besonders dem Individual- sowie dem öffentlichen Nahverkehr. Gefordert wird eine Speichermethode, die es einem Fahrzeug samt Nutzlast erlaubt, sich zuverlässig und ausreichend schnell über mehrere hundert Kilometer fortzubewegen, ohne es zwischendurch immer wieder ‚aufladen’ zu müssen, wie es bei den frühen mit Batterien ausgerüsteten Fahrzeugen der Fall war, die außerdem oft noch extrem schwer waren, da die zumeinst eingesetzten Bleiakkumulatoren nur eine Speicherfähigkeit von 40 Wh/kg besaßen und daher in entsprechender Menge mitgeführt werden mußten.

Bei einer umfassenden Recherche lassen sich darüber hinaus aber noch ausgesprochen viele andere Batterie- und Akkumulator-Technologien finden, von denen einige in den vergangenen Jahren auch intensiv weiterentwickelt worden sind, allen voran die Lithium-Ionen-Batterien. Über diese und diverse weitere neue Ansätze im Bereich der Batterie-Technologien werde ich daher ausführlich im Anschluß an die geschichtliche Übersicht berichten. Und wie schon an anderer Stelle im Buch der Synergie mit dem Schwerpunkt darauf, was, wo, wann, wie, warum, von wem und für wieviel tatsächlich umgesetzt worden ist.

Ebenfalls zunehmend wichtig wird ein Medium, das allgegenwärtig ist: die Luft. Zum einem als potentielles Speichermedium für große Energiemengen in Zeiten geringen Bedarfs wie im Fall von Druckluftspeichern, wie sie mit steigendem Interesse untersucht werden, und zum anderen als Antrieb für Druckluftfahrzeuge, die zumindest im städtischen Rahmen eine ernsthafte Alternative zum Elektroauto darstellen.

Zu den weiteren Bereichen der Energiezwischenspeicherung die ich hier behandeln werde, gehören z.B. die Speicherung von Bremsenergie bei Fahrzeugen, wie sie bereits im öffentlichen Nahverkehr Anwendung findet, neue Ansätze in der thermischen Energiespeicherung, bei der Nutzung der der Lageenergie sowie bei Schwungradspeichern, die auch bei dem in Teil D behandelten synergetischen Energiesystem eine wichtige Rolle spielen.

Da in Verbindung mit der Energiespeicherung das Thema Elektromobile zunehmend den Diskurs bestimmt, werde ich es weiter unten separat und ausführlich behandeln – schließlich können neben Fahrzeugen auch Schiffe, Flugzeuge und andere Verkehrs- bzw. Transportmittel durch elektrische Energiespeicher angetrieben werden.

Beginnen wir also mit der Vergangenheit der elektrischen Energiespeicherung, die einiges an Überraschungen zu bieten hat...


Geschichte der elektrischen Energiespeicherung


Es ist noch immer so gut wie unbekannt, daß die elektrische Batterie schon mehrere tausend Jahre alt ist! Deshalb möchte ich hier etwas detaillierter darüber berichten.

Wilhelm König, ein österreichischer Archäologe, der mehrere Jahre lang für das Irakische Museum als Direktor der Antikenverwaltung in Bagdad tätig war, entdeckt 1936 am Hügel Khujat Rabu’a, südöstlich von Bagdad, einen seltsamen Gegenstand, den er zunächst für ein Kultobjekt der Parther hält, jenem euroasiatischen Reitervolk, das sich um 250 v. Chr. am Ostufer des Kaspischen Meeres niederließ. Doch dann erkennt König etwas Verblüffendes - und beschreibt seinen Fund 1938 in der wissenschaftlichen Zeitschrift ‚Forschungen und Fortschritte’ unter der Überschrift: „Ein galvanisches Element aus der Partherzeit?“

Das Element ist ein ‚vasenartiges Gefäß’ aus hellgelbem Ton, in dem mittels Bitumen oder Asphalt ein Kupferzylinder befestigt ist. Die Höhe der ‚Terrakottavase’ beträgt 18 cm. Der Zylinder, dessen eine Öffnung durch eine mittels Bitumen fixierte Kupferscheibe verschlossen ist, besitzt eine Höhe von 12,5 cm und einen Durchmesser von 3,75 cm. Im Inneren des Kupferzylinders steckt ein vollständig korrodiertes Eisenstäbchen, dessen oberes Ende etwa einen Zentimeter über den Gefäßrand ragt. Es ist von einer gelbgrauen Korrosionsschicht überzogen, was auf die Wirkung eines bleiartigen Elektrolyten zurückgeführt werden kann. Das Eisenstäbchen wird durch einen Asphaltstöpsel am Herausfallen gehindert, wie auf der französischsprachigen Darstellung zu sehen ist.

Bagdad-Batterie Funktionsskizze

Bagdad-Batterie
Funktionsskizze

Später erfährt König von einem Berliner Kollegen, daß auch deutsche Wissenschaftler bei Grabungsarbeiten in der Nähe von Ktesiphon bei Bagdad solche Artefakte in verschiedenen Größen entdeckt hatten, ebenso amerikanische Archäologen in Seleukia. Königs Interesse ist geweckt. Ihn fasziniert die unorthodoxe Idee, es könne sich bei all diesen Funden um die Überreste von Trockenbatterien handeln. Sofort macht er sich ans Experimentieren. Nach Einfüllen eines neuen Elektrolyten – er benutzt Kupfersulfat – funktionierten einige der ihm zur Verfügung gestellten Batterien einwandfrei. Sie geben Spannungen von l,5 – 2 V ab. Der Beweis ist erbracht. In seinem Grabungsbericht kann König daher überzeugend darlegen, daß die vermeintlichen ‚Kultgegenstände’ in Wirklichkeit galvanische Elemente (Trockenbatterien) sind. Trotzdem bleibt die Sache über Jahrzehnte tabu. Und noch heute steht in keinem Schulbuch etwas darüber...

Um 1940 herum baut Willard F. M. Gray am General High Voltage Loboratory in Pittsfield, Massachusetts, einige Reproduktionen, die unter Verwendung einer Kupfersulfat-Lösung etwa 0,5 V erzeugen. Andere Quellen sprechen von 2 V mittels Traubensaft.

1960 experimentiert John B. Pierczynski an der Universität von North Carolina mit einem Duplikat dieser Batterie und erhält 18 Tage lang eine elektrische Spannung von 1,5 V. Im Herbst 1978 wird von Dr. Arne Eggebrecht, Direktor des Roemer-Pelizaeus-Museum Hildesheim, und dem Restaurator Rolf Schulte ein weiterer Nachbau präsentiert, bei dem man als Batterie-Flüssigkeit frisch gepreßten Traubensaft verwendet – den es unzweifelhaft schon damals gab. Die Meßinstrumente zeigen sofort 0,5 V an, und später werden 0,87 V erreicht. Es gelingt sogar, mit dem Strom die silberne Replik einer Königsstatue aus dem Parther-Reich zu vergolden – in nur zweieinhalb Stunden!

Den jahrelangen Streit um die Echtheit der Funde beendet das irakische Informationsministerium mit folgender offizieller Verlautbarung: „lm Jahre 1936 wurde im Gebiet von Rabu’a, östlich von Bagdad, eine Batterie gefunden, die aus der Zeit von 227 bis 126 v. Chr. stammt. Die Batterie wird im Irakischen Museum von Bagdad ausgestellt, und sie gilt als älteste Trockenbatterie, die bisher gefunden worden ist.“

Inzwischen haben sich auch Informationen angesammelt, die auf den Gebrauch elektrischen Lichts bei den alten Ägyptern (s. Reliefs von Dandera) und möglicherweise sogar elektrischer Motoren durch die Maya hinweisen ... aber das würde uns jetzt zu weit vom eigentlichen Thema der Energiespeicherung wegführen.


Daher zurück zur aktuelleren Geschichte – oder korrekt: zu jener Version der Geschichte, die immer noch vehement als die einzig wahre verbreitet wird, obwohl sie durch Anerkennung der obigen Erkenntnis nichts von ihrer Gültigkeit verlieren würde. Wobei es natürlich interessant wäre herauszufinden, ob sich nicht in den arabischen wissenschaftlichen Werken Andalusiens, die nach der Reqonquista in den Klöstern und Abteien landeten, irgendwelche Spuren jener antiken Technologie finden lassen, die vielleicht so ihren Weg in den Westen fand...

Leidener Flaschen

Leidener Flaschen

Unabhängig voneinander wird 1745/1746 von dem niederländischen Physiker Pieter van Musschenbroek (1692 – 1761) an der Universität Leiden, und von dem Domdechanten Ewald Jürgen Georg von Kleist (1700 – 1748) aus Cammin, Pommern, der Kondensator entwickelt. Die anfänglich Leidener Flasche genannte Konstruktion ist außen mit Zinn beschichtet und innen mit Gold ausgekleidet, spätere Modelle sind innen und außen mit Stanniol belegte Glasbecher.

Im Juni 1772 sticht der pensionierte ehemalige Mitarbeiter der English East India Company der John Walsh (1726 - 1795) zu einer Reise vor die französische Küste in See, um dort den Torpedofisch zu untersuchen, der seine Beute durch das Austeilen elektrischer Schläge fängt. Er ist der Meinung, die zu jener Zeit fast als Gotteslästerung gilt, daß diese Elektrizität die gleiche ist, die sich auch in Bltzen äußert - und daß sie mittels entsprechender Gerätschäften auch vom Menschen nachgemacht werden kann.

Der italienische Physiologe und Physiker Luigi Galvani (1737 – 1798) experimentiert 1786 mit der Stromerzeugung durch ein System von Eisen/Kupfer-Elektroden und organischen Elektrolyten. Seine wesentlich berühmteren Versuche mit zuckenden Froschschenkeln, die er 1791 veröffentlicht, verleiten ihn zu der Annahme, daß im Gewebe ,tierische Elektrizität’ gespeichert sei, die abfließt, sobald das Gewebe von den Enden eines Drahtes berührt wird, der aus zwei unterschiedlichen Metallen besteht.

1796 interpretiert der italienische Edelmann und Physiker Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Conte di Volta (1745 - 1827) die Versuche von Galvani richtig. Nicht die Schenkel sind die Quelle der Elektrizität, sondern die Metalle. Mit Münzen aus verschiedenen Ländern bastelt er 1799 seine erste Voltaische Säule zusammen, die er, in Bezug auf die Untersuchungen von Walsh, als ,künstliches elektrisches Organ’ bezeichnet.

Abwechselnd Kupfer, Messing, Silber, Zink oder Zinn, getrennt durch dünne Stoffstücke, die mit verdünnter Kochsalzlösung oder Schwefelsäure benetzt werden – und fertig ist die erste Batterie der (westlichen) Weltgeschichte. Sie bringt bereits 25 Volt – wie die Maßeinheit für die elektrische Spannung in Erinnerung an ihren Erfinder weiterhin genannt wird. In einem Brief aus dem Jahr 1800, der sich heute bei der Royal Society in London befindet, beschreibt er den Aufbau seiner Säule.

Rittersche Säule

Rittersche Säule

1802 entwickelt Johann Wilhelm Ritter (1776 - 1810), der mit Goethe auf dem Gebiet der Naturwissenschaften zusammenarbeitet, eine eigene Batterie, die sogenannte Rittersche Säule. Die Säule besteht aus übereinandergeschichteten und mit Tafelsalz (Natriumchlorid) getränkten Kupfer- und Kartonscheiben. Diese Vorrichtung kann mit einem elektrischen Strom geladen werden und gibt bei der Entladung Strom ab. Sie gilt als Urform des Akkumulators.

1812 entwickelt Giuseppe Zamboni (1776 – 1846) eine Hochspannungsbatterie aus bis zu 4.000 galvanischen Zellen, und zwar auf Basis des Elements Silber/Salzlösung/Magnesiumoxid/Silber.

1820 entdeckt der dänische Physiker und Chemiker Hans Christian Ørsted die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes auf eine Kompaßnadel. Nun gibt es endlich auch einen sinnvollen Einsatz für die neuen Batterien - und es dauert nicht lange, bis die Kabel elektrischer Telegrafen den Erdball überziehen. Außerdem ist hier der erste Ansatz dahingehend auszumachen, nun alle Kräfte der Natur miteinander zu vereinen.

Nur ein Jahr später veröffentlicht der englische Naturforscher und Experimentalphysiker Michael Faraday (1791 - 1867), der in seinem Labor die Experimente Ørsteds und anderer wiederholt hatte, in den Annals of Philosophy den Bericht über seine Erkenntnis, daß sich ein stromdurchflossener Leiter unter dem Einfluss eines Dauermagneten um seine eigene Achse dreht. Die sogenannte ,elektromagnetische Rotation’ ist eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung des Elektromotors.

1836 folgt John Frederic Daniell (1790 – 1845) mit einem weiteren Batterie-Element aus Zn/ZnSO4/CuSO4/Cu, das als erste zuverlässige Stromquelle betrachtet und vor allem in britische und amerikanische Telegrafenanlagen eingebaut wird, da es die zu jenem Zeitpunkt einzig verfügbare Batterie mit geringer Selbstentladung ist. Und 1839 oder 1840 entwickelt Sir William Robert Grove (1811 – 1896) dann das Zn/H2SO4/HNO3/Pt – Element.

Die ersten Versuche, einen auf Blei basierenden Akkumulator zu entwickeln, werden 1854 von dem deutschen Arzt und Physiker Wilhelm Josef Sinsteden gemacht. Er stellt zwei große Bleiplatten in ein Gefäß mit verdünnter Schwefelsäure. Durch mehrfaches Laden und Entladen des Akkus entsteht eine Kapazität, wobei sich an einer der Platten, der positiven Elektrode, Bleidioxid bildet [Blei(IV)-oxid], und an der anderen, der negativen Elektrode, reines Blei.


Erste Bleibatterie von Planté
(1859)

Der französische Physiker Gaston Planté entwickelt 1859 die wiederaufladbare Bleibatterie weiter, indem er eine spiralförmige Anordnung der Bleiplatten einführt. Als Elektrolyt dient auch hier verdünnte Schwefelsäure. Die Einführung dieser Batterie erfolgt bereits im Jahre 1860, also nur ein Jahr nach ihrer Erfindung durch Planté! Und ihre Weiterentwicklung ist auch heute noch nicht abgeschlossen, wie wir später sehen werden.

1865 erfindet der ebenfalls französische Chemiker Georges Leclanché das dann auch nach ihm benannte Kohle/Braunstein/Zink – Element, das anfangs eine flüssige Ammoniumchloridlösung verwendet. Es handelt sich um eine erste Alkali-Batterie. 1875 wird von Leclanché auch die MnO2 – Trockenzelle entwickelt, die ebenfalls eine Zinkannode besitzt.

Da Werner von Siemens im Jahr 1866 den elektrischen Generator entwickelt hatte, steigt die Nachfrage nach Speichermöglichkeiten für den elektrischen Strom nun stark an.

Seit 1874, als W. D. Snow das U.S. Patent Nr. 155.209, oder seit 1875, als James C. Bryan das U.S. Patent Nr. 160.152  für ihre jeweiligen Versionen einer Erd-Batterie (Earth Battery) erhalten, beschäftigen sich kontinuierlich Erfinder mit dieser Technologie.

Dabei ist ihre Technik verblüffend einfach: In Löcher im Boden wird eine ionenhaltige Flüssigkeit gekippt, die als Elektrolyt wirkt, in die eine der Elektroden getaucht wird, während die andere mit der unveränderten Erdoberfläche verbunden ist. Man findet heute im Netz verschiedene Anleitungen, wie sich diese Batterien einfach selbst herstellen lassen.

Snow-Patent (1874)

Snow-Patent (1874)

Ab 1876 wird die Pariser Oper mit dem Strom aus Galvanischen Elementen beleuchtet.

Industriell wird der Bleiakku interessant, als Camille Alphonse Faure um 1880 ein Verfahren entwickelt, bei dem der Akku durch eine Beschichtung aus Bleipulver und Schwefel bereits nach wenigen Ladezyklen eine hohe Kapazität erreicht (Formieren).

Als Erfinder des ersten tatsächlich brauchbaren Blei-Akkus gilt der luxemburgische Ingenieur Henri Owen Tudor, dem es bereits als Student im Jahr 1882 gelingt, unter Benutzung eines Wasserfalles auf dem Landsitz seiner Eltern, dem sogenannten Irminenhof, eine Gleichstromanlage zu entwerfen, die diverse Bleiakkumulatoren stetig wieder aufladen kann. Tudor verwendet das System zur elektrischen Beleuchtung des Hofes, der dadurch zu einem der ersten privaten Gebäude in Europa wird, das durchgehend elektrisches Licht hat. 1884 entwickelt Tudor einen Energie-Wagen den (energy-car), eine mobile, von einem Akkumulator gespeiste Kraftstation für die Landwirtschaft, die zum Dreschen, Sägen und Beleuchten genutzt wird. Und er verbreitet das Licht auch weiter: Sein erster großer Auftrag im Jahr 1886 ist die Umsetzung einer elektrischen Beleuchtung für die Stadt Echternach, als erste Stadt Luxemburgs und als eine der ersten Städte Europas. Außerdem gibt er der Bleibatterie ihre heute noch übliche Kastenform.

Etwas später entwickeln Lalande und Chaperon das alkalische Element Zn/NaOH/CuO, und 1892 Weston das sogenannte Normalelement mit Quecksilber/Cadmium. Im Jahr 1896 gibt es einen kreativen Schub, als Schmidt die erste Trockenzelle, und de Michalowski das Zn/NaOH/NiOOH – System entwickeln.

1887 gründet Adolf Müller in Hagen das Unternehmen Büsche & Müller, mit dem er den Grundstein der zukünftigen VARTA legt. Als sich AEG und Siemens 1890 daranmachen, Akkumulatoren zu produzieren, investieren sie in die neue Firma, woraus die Accumulatorenfabrik AG (AFA) entsteht. Deren Batterien versorgen u.a. auch den Baker ‚Runabout’, das erste Fahrzeug, das Thomas Alva Edison kauft und fährt, und das 1893 als erstes amerikanisches Elektroauto in Deutschland bekannt wird.

Um 1899 erfinden dann unabhängig voneinander Edison sowie der Schwede Waldemar Jungner die Nickel-Cadmium-Zelle. Edison will die Akkumulatoren für den Betrieb eines Fahrzeugs nutzen, doch dafür sind sie noch zu schwach. Aber schon 1901 findet er mit der Ni/Fe – Zelle eine äußerst robuste Batterie mit einer hohen elektrischen Kapazität pro Gewichtseinheit. Auch dieser Zellentyp soll von den beiden Innovatoren zeitgleich im Jahr 1897 erfunden worden sein. 1912 gelingt es Edison jedoch, den Ni/Fe Akkumulator bedingt gasdicht und damit anwendbar zu machen.

Die Geschichte des Akkumulators ist seitdem eng mit der Geschichte der Mobilität verknüpft, und wie üblich spielt auch der Krieg eine Rolle dabei, denn insbesondere U-Boote, die unter Wasser mobil bleiben wollten, brauchten Akkumulatoren. Im Frühjahr 1904 liefert die AFA in Berlin-Hagen eine aus Triebwagenzellen entwickelte Batterieanlage für das U-Boot ‚Hajen’ der schwedischen Marine.

Im gleichen Jahr kreiert AFA die Marke VARTA, ursprünglich um kleine tragbare Akkumulatoren zu vermarkten, die bei Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen und das Ankurbeln der Motoren überflüssig machen. Der Name VARTA setzt sich übrigens aus den Anfangsbuchstaben von Vertrieb, Aufladung und Reparatur Transportabler Akkumulatoren zusammen. Da immer mehr Fahrer sich auch bei Nacht auf die Straße wagen wollen, stellt VARTA 1905 auch die allerersten Batterien für die Außenbeleuchtung von Autos her.

AFA-Batterie

AFA-Batterie

In diesem Jahr bestellt die Germaniawerft vier Batterieanlagen für drei bei dieser Werft auf Kiel liegende russische U-Boote, sowie für das erste deutsche U-Boot U 1. Dabei besteht die Werft auf der Lieferung von Batterien der Watt-Accumulatorenwerke in Berlin-Zehndick, obwohl diese (mit Separatoren aus Torf versehenen) Watt-Batteriezellen weniger leistungsfähig sind, als die von der AFA zu jener Zeit bereits an die schwedische, niederländische, amerikanische und italienische Marine gelieferten Blei-Säure-Batterien in Großoberflächenbauweise. 

Das U-Boot U 2 ist 1908 dann das erste deutsche U-Boot, das mit einer Batterieanlage der AFA ausgerüstet wird. Ab 1910 kommen die verbesserten Masseplatten-Batteriezellen (MAS) zum Einsatz, und der U-Boot-Krieg 1914 - 1918 wäre ohne die Zulieferung der AFA-Batterien nicht denkbar gewesen. Die AFA bleibt übrigens auch bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs im Mai 1945 der einzige Batterien-Lieferant für U-Boote des Deutschen Reichs.

Außerdem ist die AFA AG an der Entwicklung und dem Einsatz deutscher Raketentechnologie beteiligt, in Form der Hochdruck-Batterie der Rakete EMW-A-9/A-10 (‚Amerika-Rakete’) von 1944/1945 – ebenso wie an der Weiterentwicklung der Batterien durch die ehemaligen Kriegsgegner in der Nachkriegszeit, wodurch diese mehr oder weniger unverändert Anwendung in der modernen Militärraketentechnik finden. So lieferte die AFA-Nachfolgerin VARTA AG die Hochleistungsbatterien für wesentliche wissenschaftliche und militärische Raketen und Raumfahrtprogramme der USA bis in die jüngste Zeit hinein, wie zum Beispiel für das Apollo-Mondprogramm, das Mondgefährt Lunar Rover, die Voyager-Raumsonden und das Galileo-Projekt.

Ebenfalls im Jahre 1910 erfolgt in Berlin die Gründung der Akkumulatorenfabrik Sonnenschein durch Theodor Sonnenschein, ein Schüler Max Plancks. Grundlage für die Firmengründung ist ein großer Auftrag der Allgemeinen Berliner Omnibus AG.

Es ist überraschend, wie viele Informationen über diese frühen Technologien man ausgerechnet auf den Seiten von Sammlern alter Aktien findet (Beispiellink) - denn diese wurden damals mit großem ästhetischem und inhaltlichem Aufwand gestaltet.

Im Grunde bestand also schon Ende des 18. und Anfang des 19. Jahrhundert die Chance, den Personen-Nahverkehr vollständig mit Elektrofahrzeugen abzuwickeln.

Der Siegeszug der fossilen Fahrzeuge machte den Traum aber schnell zunichte, Batterien gelten nun als untergeordnete Hilfssysteme, und die Weiterentwicklung der Akkumulatoren verläuft danach wesentlich langsamer.

Die gasdichte Ni/Cd – Zelle wird z.B. erst 1935 patentiert, das Lithium-Batteriesystem 1949, Knopfzellen als Bauform für Akkumulatoren gehen 1954 in die Serienproduktion, und die Fertigung von Batterien mit Lithiumanoden und organischen Elektrolyten beginnt erst 1974. Die Markteinführung der Ni/Metallhydrid-Zelle erfolgt im Jahre 1990.


Auf die Elektromobile, die es damals gab (und inzwischen wieder gibt) gehe ich weiter unten noch gesondert ein, zunächst folgt nun die bereits angekündigte Übersicht über die bislang am meisten verbreiteten traditionellen Batterietechnologien - sowie über die vielen interessanten Weiter- und Neuentwicklungen in jüngerer Zeit. Für technisch tiefer gehende Vergleiche sei auf die sogenannten ,Ragone-Diagramme’ verwiesen.

Und nicht zu vergessen: Es gibt auch einen Nationaltag der Batterie - der in jedem Jahr am 18. Februar gefeiert wird.


Die verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen (I)

Alkali-Mangan-Batterie


Jeder kennt die traditionelle Braunstein-Zink-Zelle, wie sie seit Jahrzehnten z.B. in Taschenlampen eingesetzt wird. Diese Zelle ist der Oberbegriff für verschiedene galvanische Elemente, deren Elektroden durch Zink und Mangandioxid (Braunstein, MnO2) gebildet werden, die sich aber im Aufbau und beim genutzten Elektrolyt unterscheiden.

Neben dem oben bereits erwähnten Leclanché-Element sind dies die Zink-Kohle-Zelle (manchmal als Braunstein-Element bezeichnet), die als Elektrolyt eine Ammoniumchlorid-Lösung in gebundener Form verwendet; die Zinkchlorid-Zelle, die heute keine praktische Bedeutung mehr hat; sowie die Alkali-Mangan-Zelle, die derzeit als die am weitest verbreitete Primärzelle gilt. In den Alkali-Batterien können die Ionen der Alkalimetalle Natrium oder Kalium besonders effizient von einer speziellen kristallinen Kupferverbindung namens Kupferhexacyanoferrat aufgenommen und abgegeben werden.

Die Alkali-Mangan-Zelle (genauer Zink-Manganoxid-Zelle, auch als Alkaline-Batterie bekannt) benutzt Zellstoff als Separator, und als Elektrolyt Kalilauge in Bindemitteln. Durchsetzen tut sie sich mit Beginn der 1960er Jahre aufgrund ihrer höheren Kapazität, besseren Belastbarkeit und längeren Lagerfähigkeit, was wohl den wichtigsten Wettbewerbsvorteil darstellte. Und dies, obwohl diese Zellenform zu den Primärelementen, das heißt zu den nicht-wiederaufladbaren Batterien, gezählt wird. Was wiederum nicht ganz richtig ist, denn auch eine Alkali-Mangan-Zelle ist begrenzt wiederaufladbar (s.u.).

Die sogenannten RAM-Zellen (Rechargeable Alkaline Manganese) wiederum, die 50 bis 500 mal wiederaufladbar sind und daher zu den Sekundärelementen (Akkumulatoren) gezählt werden, haben bislang noch keine weite Verbreitung gefunden. Die dafür überall bekannten und benutzten 9 V Blockbatterien sind aus 6 internen Alkali-Mangan-Einzelzellen aufgebaut, entweder aus 6 Rundzellen (6LR61) oder in Form eines Stapels aus 6 rechteckigen Knopfzellen (6LF22).

Quecksilberfreie Knopfzelle

Quecksilberfreie Knopfzelle

Umstritten sind diese Batterien, weil durch sie jährlich noch immer mehrere Tonnen Quecksilber in Umlauf geraten sollen. Alkali-Knopfbatterien verwenden in der Regel eine kleine Menge Quecksilber, um das Auslaufen der Batterie zu verhindern, das durch den Aufbau von Wasserstoffgas entsteht. Im Mai 2006 gibt die japanische Firma Sony die Entwicklung einer quecksilberfreien Alkali-Knopfzelle bekannt (LR44), die im Laufe des Sommers auf den Markt kommen soll. Bei dieser ist in der Kathode ein innovatives, Gas absorbierendes Material eingebaut, das die Entstehung des Wasserstoffgases verhindert (die weltweit erste quecksilberfreie Silberoxid-Zelle hatte das Unternehmen bereits im September 2004 vorgestellt).

Anfang 2009 folgt die ebenfalls japanische Fuji Batteries FDK mit der umweltfreundlichen EnviroMax Batterie-Serie (AA, AAA, C, und D als Super Alkaline und Digital Alkaline), die kein Quecksilber oder Cadmium enthalten und vollständig abbaubar sein sollen.

Im Jahr 2012 stellen Mauro Pasta und seine Kollegen von der kalifornischen Stanford University eine neuartige langlebige Alkali-Batterie vor, die sich Dank ihrer nanostruktuierten und porös aufgebauten Elektrode auf Basis des leitfähigen Kunststoffs Polypyrrol so schnell auf- und entladen läßt, daß sie eine fluktuierende Stromerzeugung selbst im Minutentakt ausgleichen kann. Der mit einem wäßrigen Elektrolyten gefüllte Prototyp zeigt ein Ladeverhalten, das für günstige, stationäre Stromspeicher ideal ist.

Aufgrund seiner Schnellladefähigkeit kann der Stromspeicher binnen Minuten mit Strömen, die einem Vielfachen der eigentlichen Speicherkapazität entsprechen, auf- und entladen werden (was herkömmliche Blei- und Lithium-Ionen-Akkus leicht zerstört). Selbst bei einem fünfzigfach die Kapazität übersteigenden Ladestrom (50C) erreicht der Prototyp noch eine Speichereffizienz von knapp 80 %. Außerdem überzeugt die hohe Stabilität: Auch nach 1.000 Ladezyklen zeigte der Stromspeicher noch 99,9 % seiner ursprünglichen Kapazität. Die spezifische Leistung dieser Alkali-Batterien ist mit 100 W/kg allerdings weitaus geringer als die anderer Akku-Typen.

Im August 2013 erhält die Princeton University in New Jersey knapp 1 Mio. $ vom US-Energieministerium (Department of Energy, DOE) aus dem ‚Robust Affordable Next Generation Energy Storage Systems program’, um länger haltende und aufladbare Alkali-Batterien für Elektrofahrzeuge zu entwickeln.

Noch ein Wort zum Thema Ladegerät für Alkali-Batterien. Die meisten Alkali-Mangan-Batterien lassen sich drei- bis zehnmal auffrischen. Voraussetzung ist, daß die Batterie nicht zu tief entladen wird. Ladegeräte für handelsübliche NiMH-Akkus sind dafür allerdings nicht geeignet, da der Schwellwert für die Ladeschlußspannung und das Ladeverfahren nicht passen. Statt dessen gab es bisher eigentlich nur Selbstbauanleitungen für entsprechende Geräte.

Ein geeignetes mikroprozessorgesteuertes Ladegerät, das es in dieser Form noch nicht gibt, und mit dem Alkali-Batterien bis zu 90 % ihrer anfänglichen Kapazität wiederaufgeladen werden können, wird erst im Jahr 2009 von den österreichischen Ingenieurstudenten der HTL-Waidhofen an der Ybbs, Daniel Petsch und Michael Rumetshofer, entwickelt. Das bereits in Kleinserie produzierte und schon erfolgreich am Markt getestete Ladegerät bekommt auf der Erfindermesse in Nürnberg im November 2009 eine Goldmedaille.

Tatsächlich bietet die 1991 gegründete und im australischen Melbourne beheimatete Firma Digital Works Engineering Pty. Ltd. aber schon seit 2003 ein Ladegerät namens ReZAP Battery Doctor an, dessen Version ReZAP Pro neben Titan-, NiCd- und NiMH-Zellen auch RAM- und normale Alkaline-Akkus laden kann (118 AU-$).


All Electron Battery


Der an der Stanford University tätige österreichische Physiker Friedrich ‚Fritz’ B. Prinz wird im April 2010 mit 1 Mio. $ aus dem ARPA-E Programm gefördert, um sein Konzept einer völlig neuen Klasse von elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge zu entwickeln (The All-Electron Battery: Quantum Mechanics of Energy Storage in Electron Cavities).

Bei der festkörperbasierten All-Elektronen-Batterie (AEB), die eine neuartige Architektur verwendet und potentiell eine ultra-hohe Energiedichte besitzt, fließen im Innenraum statt Ionen- ausschließlich Elektronenströme. Das Konzept beruht auf der elektrostatischen Aufladung von strukturierter Materie und folgt damit dem Bauprinzip eines Kondensators. Allerdings wird hier das Dielektrikum in der Umgebung der Elektroden nicht durch ein homogenes Material gebildet, vielmehr befinden sich nahe den Elektroden darin eingebettete, nanotechnologisch erzeugte Quantenpunktsysteme. Eine kaskadenartige Abfolge von Quantenpunktsystemen mit nach innen abnehmendem Durchmesser veranlaßt das Eindringen von Ladung in die Tiefe einer zwischen den Elektroden sitzenden isolierenden Schicht, so daß eine Speicherung von Ladung in einem möglichst großen Volumen im Umfeld der Elektrode möglich wird.

Bei Ladevorgängen können Elektronen von den Elektroden zusätzlich auf die Quantenpunkte übergehen (‚tunneln’) und somit die bei Kondensatoren auf die Oberfläche begrenzte Ladung in das umliegende Volumen erweitern, woraus eine erhöhte Speicherkapazität und Entladungsstabilität resultiert. Außerdem sind Elektronen leichter und somit schneller, als die sonst üblichen Ionen-Ladungsträger. Da keine chemischen Reaktionen ablaufen, sind auch Degradationseffekte weniger ausgeprägt, wodurch eine extrem hohe Lebensdauer möglich wird.

Die Herstellung und Erprobung eines Machbarkeits-Nachweis-Geräts erfolgt am Rapid Prototyping Laboratory (RPL) der Stanford-Universität, wobei sich die laufende Forschung auf die Auswahl der Materialien für jede Komponente und das Testen der Skalierbarkeit durch das Hinzufügen von mehr Schichten konzentriert. Um praktische einsetzbare Batterien zu entwickeln, müssen jedoch die Übertragung und Speicherung von Ladung in der AEB noch besser verstanden werden, weshalb in Kooperation mit dem Army High Performance Computing Research Center (AHPCRC) ein rechnerisch anspruchsvoller quantenmechanischer Ansatz zur Modellierung und Simulation entwickelt wird, der notwendig ist, um Tests der verschiedenen Hypothesen zu formulieren und genaue Vorhersagen des Verhaltens der AEB zu machen.

Um die Technologie zu kommerzialisieren wird von Jagdeep Singh im kalifornischen San Jose das Startup QuantumScape Corp. gegründet, das eine Lizenz der Stanford-Universität erwirbt und von Khosla Ventures sowie Kleiner Perkins finanziert wird, sich ansonsten aber extrem bedeckt hält. Es gibt zwar ein im März 2010 angemeldetes Patent ‚All-electron battery having area-enhanced electrodes’ (US-Nr. 8.524.398, erteilt 2013) sowie eine weitere Patentanmeldung vom Dezember 2010 unter dem Namen ‚High energy storage capacitor by embedding tunneling nano-structures’ (Nr. 20120156545), doch Informationen über das Unternehmen oder weitere Entwicklungsschritte konnte ich nicht finden.


Aluminium-Luft-Batterie


Aluminium-Luft-Batterien sind nicht wiederaufladbare Primärzellen, die ihre Elektrizität durch die Reaktion von Sauerstoff und Aluminium erzeugen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, die den Sauerstoff selbst transportieren, atmen diese Batterien den Sauerstoff frei aus der Umgebungsluft, um die in den Metallen enthaltene Energie freizusetzen. Aluminium-Luft-Batterien haben eine der höchsten Energiedichten von allen Batterien, sind bislang aber nicht weit verbreitet, weil die benötigten Anoden und die Entfernung der Nebenprodukte sehr teuer sind, wenn herkömmliche Elektrolyten genutzt werden. Dies hat ihre Verwendung hauptsächlich auf militärische Anwendungen beschränkt. Die Energiedichte ist die Energiemenge, die in einem gegebenen Volumen gespeichert werden kann.

Alu-Luft-Zellen werden aber auch für Marineanwendungen hergestellt. Hier gelten sie durch den Austausch des Elektrolyts Meerwasser als wiederaufladbar - zumindest solange, bis das Aluminium erschöpft ist und ersetzt werden muß. Auch Zellen, die zum Meerwasser hin offen sind, werden erforscht. Da Salzwasser-Lösungen allerdings dazu neigen, das Aluminium zu passivieren, erweist sich das Pumpen des Elektrolyten vor und zurück entlang der Zelloberfläche als erfolgreich. Für die Zellen, die kein Meerwasser verwenden, werden Elektrolyten aus Kaliumchlorid- und Kaliumfluorid-Lösungen verwendet, während Luftelektroden aus Teflon-gebundenem Kohlenstoff ganz ohne Katalysator auskommen.


Da ein Elektrofahrzeug mit Aluminium-Batterien das Potential für eine bis zu acht Mal größere Reichweite als mit Lithium-Ionen-Akkus hat, verbunden mit einen deutlich geringeren Gesamtgewicht, sind solcherart betriebene Fahrzeuge seit Jahrzehnten in Diskussion. Das Lawrence Livermore National Laboratory in den USA engagiert sich schon früh in die Entwickelung von Aluminium-Luft-Batterien, die manchmal auch als Aluminium-Luft-Brennstoffzelle bezeichnet werden (semi fuel cell).

Im Jahr 1981 wird die Firma Alcan Aluminium Ltd. (heute: Rio Tinto Alcan Inc.) im kanadischen Montreal auf diese Arbeiten aufmerksam. Das Unternehmen ist davon überzeugt, daß die Automobilindustrie einen Bedarf an leichteren Fahrzeugstrukturen aus Aluminium haben wird – zusammen mit schweren Batterien aus demselben Material, und bringt eine internationale Initiative zusammen, um auf diesem Marktsegment die Führungsrolle zu übernehmen.

Auf der Society of Automotive Engineers (SAE) Konferenz in Detroit 1983 stellt Alcan die Technologie erstmals öffentlich vor. Aluminium-Luft-Batterien können neutrale oder alkalische Elektrolyte haben. Ihre praktischen Leistungsdichten sind mit 5 bis 20 W/kg allerdings zu niedrig, als daß damit eine ausreichende Effizienz erreicht werden könnte. Daher wird eine Hybridisierung unterstützt. Die Diskussion führt im Jahr 1984 zu einem ‚off road’ Fahrzeugprojekt, das auf einer hybriden Salz/Aluminium-Luft-Lösung basiert. Das Co-geförderte Projekt wird im Jahr 1986 abgeschlossen und die Ergebnisse auf dem Electric Vehicle Symposium (EVS 9) 1988 vorgestellt, wo sie besonders bei Ingenieuren von Toyota und Nissan auf großes Interesse stoßen. Nissan kauft ein Aluminium-Luft-System von Alcan, um eigene Versuche durchzuführen, während ein zweites System im Namen von Toyota von Aisin-Seki gekauft wird.

Das Energieministerium von Ontario unterstützt daraufhin die Demonstration des Aluminium-Luft-Hybrids in einem umgewandelten Chrysler Plug-in Hybrid-Minivan, deren Ergebnisse auf dem EVS 10 in Hongkong und dem EVS 11 in Florenz präsentiert werden. Nun führen auch Ingenieure von Renault Tests mit dem Minivan in Kingston, Ontario, durch und kaufen ebenfalls ein Aluminium-Luft-System für das Renault-Labor in Paris.

Partner der Alcan ist die britische Firma Chloride Standby Power. In einer Pressemeldung des Jahres 1990 (?) wird die Aluminium-Luft-Batterie, die aus dieser Kooperation entstand als beliebig lange lagerfähig beschrieben. Außerdem soll sie nach der Aktivierung eine mindestens 48stündige Stromversorgung gewährleisten. Angeboten wird ein modular aufgebautes Notstromsystem, das neben der Aluminiumbatterie auch eine Bleibatterie mit einer Kapazität von drei Stunden sowie einen Wechselrichter zur Erzeugung von Wechselstrom (220 V, 50 Hz) umfaßt. Die Batterien werden in Modulen mit einer Leistung von 250 W geliefert, die beliebig zusammengeschaltet werden können. Besonders vorteilhaft ist, daß solche Batterien auch langfristig keiner Wartung bedürfen und jederzeit betriebsbereit sind.

Bei Stromausfall übernimmt zuerst die Bleibatterie die Versorgung. Dauert die Panne jedoch länger als drei Stunden, wird Kalilauge über einen Wärmetauscher und ein Filtersystem durch die Aluminiumbatterie gepumpt, während man gleichzeitig Luftblasen über die Kathoden perlen läßt. Das Aluminium wird anodisch oxidiert und zu Aluminiumoxid umgewandelt, welches im Aluminiumwerk zu Metall rezykliert werden kann, während die Regeneration der Batterie durch Ersatz der verbrauchten Elektroden erfolgt.

Ein Patent der Alcan, das im März 1990 angemeldet wird, trägt den Titel ‚Metall-Luft-Batterie mit Kristallkeime enthaltendem zirkulierenden Elektrolyten’ (EP-Nr. 0.464.111, erteilt 1994).


Im Jahr 1989 führen Wissenschaftler um D. Fitzpatrick (der später bei der 1999 gegründeten Azure Dynamics Corp. in Oak Park, Michigan, aktiv ist, die im März 2012 in Konkurs geht) Straßentests mit einem Elektrofahrzeug durch (Electrek hatchback von Unique Mobility), das mit einer hybridisierten Aluminium-Luft/Bleisäure-Batterie betrieben wird, da diese Bauweise die Kosten erheblich mindert. Die Demonstration belegt allerdings die Notwendigkeit weiterer Entwicklungsarbeiten an dieser Technologie. Das Problematischste an Alu-Luft Batterien ist das sich ablagernde Aluminiumoxid (Keramik), das die Reaktion stoppt, noch bevor das Aluminium aufgebraucht ist.

Eine Meldung aus dem Jahr 2000 zufolge testet die kanadische Firma Aluminum Power Inc., ein Mitglied der Eontech Gruppe Inc., eine Aluminium-Luft-Zelle, die als Handy-Akku acht Stunden Gesprächszeit ermöglicht. Im Standby-Modus liefert die Zelle sogar Energie für fünfeinhalb Tage. Sie besteht aus einer Aluminium-Anode (+), die sich in einer alkalischen Lösung befindet, und einer Sauerstoff-erzeugenden Kathode (-), die zusammen in einer leicht auswechselbaren Kartusche eingeschweißt sind. Das Unternehmen beruft sich auf eine jüngst durchgeführte Untersuchung der Professoren D. W. Kirk und S. J. Thorpe an der Universität von Toronto, die zeigte, daß Aluminium-Luft-Zellen nicht nur für die Umwelt sehr verträglich sind, sondern auch die gegenwärtig effektivste Art der Energiegewinnung unter den Metall-Luft-Zellen darstellt. (Die Firma Aluminum-Power gibt es inzwischen nicht mehr).

Auch eine 2002 veröffentlichte Studie von Forschern der Universität von Rhode Island kommt zu dem Schluß, daß Aluminium-Luft-Batterien die einzige Elektroauto-Technologie sind, die Reichweiten versprechen, die im vergleichbaren Bereich zu herkömmlichen Autos liegen. Diese Batterien sind die aussichtsreichsten Kandidaten ... hinsichtlich der Reichweite, Kaufpreis, Kraftstoffkosten und Lebenszykluskosten“.

Doch nicht nur seriöse Unternehmen und Wissenschaftler befassen sich mit dieser vielversprechenden Technik.

Die 1989 von dem finnischen Erfinder Rainer Partanen gegründete Europositron Oy in Helsinki kassiert zwischen 2001 und 2007 von rund 300 leichtgläubigen Investoren, 70 davon aus Schweden, mindestens 1,3 Mio. € – für die professionell gestaltete Ankündigung einer Aluminium-Luft-Batterie, die in Wirklichkeit jedoch gar nicht entwickelt wurde. Das Geld soll statt dessen in erster Linie dem aufwendigen Lebensstil Partanens gedient haben – und tatsächlich gelingt es der Polizei bei den Untersuchungen nicht, auch nur die geringsten Anzeichen für einen Prototypen oder Spuren wissenschaftlicher Arbeit zu finden. Allerdings hatte Europositron für ihre (fiktive) ‚Technologie auf Basis von Elektrochemie im Nanobereich’ im Jahr 2005 den renommierten Frost & Sullivan Technology Innovation of the Year Award erhalten – wie man zugunsten der Investoren anmerken sollte.

Ende 2007 scheint sich Partanen wegen Betrug in Haft zu befinden, und im Januar 2009 wird er vom Amtsgericht Helsinki wegen schwerem Betrug und Straftaten im Rechnungswesen zu einem Jahr und sieben Monaten auf Bewährung verurteilt. Das Berufungsgericht erhöht das Strafmaß im September 2010 auf zwei Jahre und sechs Monaten Haft und verurteilt Partanen zusätzlich zur Zahlung von über 470.000 € Entschädigung an die Aktionäre und etwa 280.000 € an den Staat. Trotzdem erscheint 2013 auf der Homepage der Firma die fröhliche Information, daß man sich in Verhandlungen mit Investoren befände, die bereit seien, mindestens 2,4 Mio. € zu investieren. Fragt sich nur, in was...

Phinergy-Batterie

Phinergy-Batterie


Im März 2013 veröffentlicht das israelische Startup-Unternehmen Phinergy, das sich als ein führender Entwickler von Metall-Luft-Energietechnologien mit Schwerpunkt auf Aluminium-Luft- und Zink-Luft-Batterien bezeichnet, das Video der Demonstrationsfahrt eines umgebauten Citroen C1 Elektroautos, welches u.a. von Aluminium-Luft-Zellen mit einer speziellen Kathode und Kaliumhydroxid angetrieben wird. Unter anderem deshalb, weil die eigentliche Batterie ein Lithium-Ionen-Akku ist, der jedoch weniger als 160 km Reichweite bietet. Und so fungieren die Phinergy Aluminium-Luft-Zellen als Range-Extender, die bis zu 1.600 km zur Verfügung stellen. ‚Betankt’ wird die Batterie mit destilliertem Wasser, was bei dem Testwagen etwa alle 320 km erforderlich ist, und ihre Laufzeit soll 20.000 km betragen, bevor ein Austausch notwendig wird. Die Finanzierung des Pilot- und Demonstrationsprojekts erfolgte im Mai 2012 vor allem durch das israelische Ministerium für Energie und Wasserressourcen.

Phinergy zufolge erlaubt das patentierte Kathodenmaterial dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft frei in die Zelle zu gelangen, wobei es gleichzeitig die Kontamination durch Kohlendioxid in der Luft blockiert. Das Unternehmen will bereits einen Vertrag mit einem globalen Automobilhersteller unterzeichnet haben, um ab 2017 Aluminium-Luft-Zellen in großen Stückzahlen zu liefern. Wie wir es schon bei verschiedenen anderen israelischen Firmen gesehen haben, wird allerdings mit relevanten Detailinformationen yiemlich gegeizt, sei es in Bezug zur Historie des Unternehmen oder auch nur zum Standort. Im Februar 2014 meldet die Fachpresse, daß Phinergy eine Entwicklungsvereinbarung mit dem Aluminiumkonzern Alcoa geschlossen habe, um gemeinsam neue Materialien, Verfahren und Komponenten zu entwickeln und zu vermarkten.


Anmerkung: Einfache Bauanleitungen für Batterien aus Alu-Dosen, Salzwasser und etwas Kohle findet man inzwischen überall im Netz.


Aramidfaser-Batterie


Für die im November 2004 gegründete Firma Xtreme Power aus Lyle (später in Austin) in Texas beginnt Ende 2009 eine Zeit zunehmender Medienpräsenz. Bekannt wird das Unternehmen mit seinen patentierten PowerCells (manchmal auch Dry Cells genannt), die hinsichtlich Haltbarkeit und Kosten zu diesem Zeitpunkt unschlagbar sein sollen. Xtreme verspricht eine Lebensdauer von 20 Jahren und ein Entladeverhalten wie bei einem Kondensator. Außerdem würden die PowerCells auch dann weiterarbeiten, wenn sie mit einem Maschinengewehr beschossen worden sind, was sie für militärische Anwendungen interessant macht. Über die Kombination von Höchstleistung, hoher Energiedichte, langer Lebensdauer und hoher Effizienz hinaus sollen auch die Kosten nur etwa ein Zehntel der Kosten von Lithium-Ionen-Systemen vergleichbarer Größe betragen. In Kommentaren wird von einem Preis von 500 $/kWh gesprochen, bei dem die Firma sogar noch Gewinne machen soll. Xtreme selbst gibt keinen Preis für seine PowerCells bekannt. Zum Vergleich: Der Preis von Natrium-Schwefel-Batterien wird zu diesem Zeitpunkt mit 800 $ pro Kilowattstunde angegeben, während Flow-Batterien zwischen 622 $ und 1.500 $ pro kWh kosten.

Grundlage der PowerCells sind hauchdünne Aramidfasern, die mit einer speziellen Nano-Beschichtung aus einer Legierung verschiedenster Metalle überzogen sind. Details hierüber sind bislang nicht zu finden, was möglicherweise der Grund dafür ist, daß diese Zellen den Blei/Säure-Batterien zugeschrieben werden. Einen Beleg dafür gibt es jedoch nicht. Auch einen flüssigen Elektrolyt scheint es nicht zu geben, daher wohl auch der Name ‚Dry Cell’. Laut Xtreme wirken die PowerCells mehr wie ‚chemische Kondensatoren’, denn Laden und Entladen erfolgen bei hoher Geschwindigkeit, während gleichzeitig die Qualitäten erhalten bleiben, welche Batterien für die langfristige Energiespeicherung besser geeignet machen als Kondensatoren.

Ihr Ursprung geht auf Bemühungen von Corning, Tracor, British Aerospace und Ford Aerospace in den 1990er Jahren zurück, die damals eine Glasfaser-Batterie entworfen haben, welche anschließend von einem Unternehmen übernommen wurde, das plante, den Akku für Kaliforniens einstigen (und bald darauf zusammengebrochenen) Null-Emissions-Fahrzeugmarkt weiterzuentwickeln. Xtreme kauft die Technologie 2004, erhält 2007 einen staatlichen Zuschuß des bundesstaatlichen Texas Emerging Technology Fund in Höhe von 2 Mio. $, und eine 2009 durchgeführte Finanzierungsrunde (B) bringt der Firma weitere 5 Mio. $ von Investoren. Die Geldgeber sind SAIL Ventures Partners, die Fluor Corp., BP Alternative Energy, Dominion Resources, POSCO ICT, SkyLake & Co. und Spring Ventures.

Xtreme produziert die Batterien bereits in drei kleineren Produktionsstätten. Seit 2006 (o. 2007) betreibt eine 500 kW Batteriestromversorgung von Xtreme ein Südpol-Observatorium in der Antarktis. Außerdem wird im Rahmen gemeinsamer Versuche mit dem Stromversorger Hawaii Electric Power, auf Maui ein kommerzieller 1,5 MW Pilot-Energiespeicher in Betrieb genommen, um die veränderliche Energie aus den 20 GE Windkraftanlagen des 30 MW Kaheawa Wind Project (KWP) zu stabilisieren. Als weitere Machbarkeitsnachweise setzt Xtreme seine PowerCells als Ersatz für Dieselgeneratoren ab 375 kW ein, bis hin zu Megawatt-großen Einheiten wie sie in dem Windkraft-Projekt auf Hawaii zum Einsatz gelangen.

Im November 2009 versucht das Unternehmen, sich 475 Mio. $ zu beschaffen, um in Partnerschaft mit dem Santa Barbara, Kalifornien, ansässigen Solarpaneel-Hersteller Clairvoyant Energy in dem geschlossenen Werk der Ford Motor Co. in Wixom, Michigan, eine neue Fabrik zu installieren, die einen Output von etwa 2.000 MW Batterien pro Jahr erreichen soll. Damit sollen die Solar- und Batteriesysteme der beiden Unternehmen integriert werden. Dias Projekt kann jedoch nicht umgesetzt werden.

Details über das Windkraft-Projekt auf der Insel Maui werden im März 2010 bekannt. Die Firma erhält den Auftrag, ihre Technologie in Form eines 15 MW/10 MWh DPR (Dynamic Power Resources) Speicher-Systems in dem 30 MW Kahuku-Windpark einzusetzen, der auf der Hawaii-Insel Oahu geplant ist. Für das Gesamtprojekt mit seinen 12 Turbinen erhält der Entwickler First Wind vom US-Energieministerium im Juli eine Kreditgarantie in Höhe von 117 Mio. $. Zeitgleich erfolgt die Grundsteinlegung in Kahuku. Ebenfalls im Juli gibt Xtreme den erfolgreichen Abschluß einer Finanzierungsrunde (C) bekannt, bei der Bessemer Venture Partners, The Dow Chemical Company (über deren Venture Capital group) sowie der bestehende Investor SAIL Venture Partners 29,5 Mio. $ in die Kasse der Firma spülen. Im August folgt die Ankündung eines gemeinsamen Projektes mit der Ford Motor Company, Detroit Edison und dem Bundesstaat Michigan, um auf dem Ford-Montagewerk in Wayne eine 500 kW Solarstromanlage zu installieren, zusammen mit einer 750 kW Energiespeicheranlage (was ausreichend wäre, um 100 durchschnittliche Haushalte in Michigan ein Jahr lang zu versorgen). Die Erneuerbare Energie der Solaranlage soll bei der Herstellung von Fords Elektroautos genutzt werden. Und im September wird bekanntgegeben, daß Xtreme in Zusammenarbeit mit dem Entwickler Castle & Cooke Inc. auf dessen Ende 2008 in Betrieb genommenem 600 kW La Ola Solarfarm auf der Insel Lana’i, der größten auf Hawaii, bis Mai des Folgejahres eine 1,125 MW Speicheranlage implementieren wird.

Im Januar 2011 wird Xtreme von First Wind ausgewählt, für das 21 MW Kaheawa Wind Power II Projekt (KWP II) auf der Insel Maui bis November eine 10 MW DPR zu installieren. Im gleichen Monat wird mit der Kaua’i Island Utility Cooperative (KIUC) ein Vertrag über ein 1,5 MW Batteriespeichersystem für die Koloa Verteilerstation unterzeichnet, deren Fertigstellung für das dritte Quartal 2011 geplant ist. Der 15 MW Batterie-Speicher in Kahuku geht im Februar in Betrieb, und im März wird Xtreme von dem in North Carolina ansässigen Unternehmen Duke Energy damit beauftragt, in einem zwei Jahre zuvor gebauten 153 MW Windpark in Notrees (Ector und Winkler counties), Texas, ein riesiges Speichersystem zu errichten, dessen dynamische Batterie bis zu 36 MW/24 MWh aufnehmen kann. In Betrieb gehen soll das zu diesem Zeitpunkt größte Batterie-basierte Grid-Storage-Projekt in den Vereinigten Staaten bereits im Oktober. Im Dezember geht dann auch der Speicher an der Koloa Verteilerstation in Betrieb.

Daß Xtreme insgeheim auch an kleineren Projekten arbeitet, um in naher Zukunft Versorgungsunternehmen und gewerblichen Kunden Gemeinschafts-Energiespeicher-Einheiten (Community Energy Storage, CES) anbieten zu können, wird im März 2012 bekannt. Die Texas A&M University und das State Energy Conservation Office (SECO) hatten bereits im Jahr 2008 ein Microgrid-Projekt gestartet, um Dach-PV-Anlagen zu einer Testgruppe von Wohnungen in einer sogenannten ‚colonia’ in Webb County zu bringen, zusammen mit Bio-Diesel-Generatoren sowie Eisschrank-großen Batterien von Xtreme, deren Installation Mitte 2009 beginnt. Ziel des Projektes ist es, zu beweisen, daß das Modell auf einer breiteren kommerziellen Basis repliziert werden kann, denn zahlreiche colonias in der Grenzregion haben nämlich keinen Zugang zu elektrischen Netz. Ein 2010 veröffentlichter Bericht über das Projekt lobt die Energieeffizienz des Microgrid-Systems (83 %) sowie Zuverlässigkeit der Stromversorgung (97 %).

Im April folgt die Meldung, daß das Unternehmen auf Kodiak Island in Alaska ein 3 MW (o. 4,5 MW) Batteriesystem installieren wird, um die Stromversorgung aus dem Pillar Mountain Windprojekt zu sichern, das seit 2009 rund 10 % des lokalen Bedarfs deckt. Der Auftraggeber Kodiak Electric Association (KEA) plant, die Speicherkapazität in einer späteren Phase auf bis zu 9 MW zu erhöhen.

Bei einer Finanzierungsrunde (D) nimmt Xtreme im Juni 2012 weitere 10 Mio. $ ein, wobei die neun neuen Investoren allerdings nicht genannt werden. Damit hat das Unternehmen seit seiner Gründung schon etwas mehr als 50 Mio. $ an Investitionsmitteln einkassiert. Im Juli wird der Beginn des kommerziellen Betriebs des Kaheawa Wind II Projekts bekannt gegeben.

Einen heftigen Rückschlag gibt es, als im August auf der Kahuku-Windfarm ein zerstörerisches Feuer ausbricht, bei dem Teile eines wichtigen Gebäudes einstürzen. Die Feuerwehrleute betreten das Gebäude erst sieben Stunden nach dem Feuer, da es Fragen bezüglich der Toxizität der 12.000 installierten Batterien gibt. In demselben Gebäude war es schon im April 2011 zu einem kleineren Brand gekommen, ebenso im Mai 2012, wobei beide Brände durch ECI Kondensatoren in den Wechselrichtern von Dynapower verursacht worden sein sollen. Xtreme hatte Dynapower daraufhin verklagt. Auch diesmal soll der Feuerwehr zufolge der Brand in oder in der Nähe der Batteriebänke begonnen haben. Xtreme dementiert eine Gefahr für die Allgemeinheit. Video-Aufzeichnungen belegen später jedoch, daß das Feuer auf dem Betonboden eines der Gänge begonnen hat, die zwischen den Batterie-Arrays verlaufen, sodaß von einem ‚Fremdkörper’ ausgegangen wird, der den Brand verursacht hat. Eine weitere Windenergie-Batterie von First Wind in der Nähe von Haleiwa (Kawailoa-Projekt), die im Juni in Betrieb genommen wird, läuft dagegen problemlos.

Im September 2012 gehen Xtreme und GE Energy Storage, ein Geschäftsbereich von GE Transportation, eine strategische Allianz ein, um zusammen an innovativen Energiespeicher-Lösungen auf Grundlage der Durathon Natrium-Metall-Batterien von GE zu arbeiten.

Im Januar 2013 wird der Betriebsbeginn der Notrees-Energiespeichereinheit in West-Texas gemeldet, und im Februar gehen auch Xtreme und Samsung SDI, eine Tochtergesellschaft der Samsung-Gruppe, eine Partnerschaft ein, um neue Lösungen für deren Raster-formatige Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Die beiden Firmen werden – als Teil eines Smart Grid Demonstrationsprojekts des Center for the Commercialization of Electric Technologies (CCET) – einen 1 MW/1 MWh Lithium-Ionen Batteriespeicher (Battery Energy Storage System, BESS) am Reese Technology Center in Lubbock, Texas, installieren. Außerdem besteht eine Kooperation mit einem weiteren, nicht benannten Hersteller von Lithium-Titanat-Batterien.

Einer Meldung vom April 2013 zufolge will sich Xtreme Power nun jedoch aus dem kapitalintensiven Batterie-Geschäft zurückziehen und auf den Aufbau und die Verwaltung der Xtreme Active Control Technology (XACT) Software-Plattform konzentrieren, die erforderlich ist um die großen Batterie-Systeme in das Stromnetz zu integrieren. Mit einem Käufer mit Erfahrung im Batteriegeschäft wird eine Absichtserklärung unterzeichnet, der zufolge Xtreme die Fabrik in Oklahoma verkauft, die nach einer vorübergehenden Abschaltung von dem Käufer neu gestartet wird, um Xtreme zu helfen, die laufenden Aufträge über PowerCell-Batterien zu erfüllen.

Xtreme, das seit der Gründung im Jahr 2004 etwa 55,7 Mio. $ Kapital bekommen hat und rund um den Globus an vierzehn Standorten mit insgesamt etwa 77 MW seiner PowerCell- und BMS-Arrays vertreten ist, erwartet nun, die Profitabilität Ende 2013 oder Anfang 2014 zu erreichen.

Im September 2013 gewinnt Xtreme auf der Messe Energy Storage North America (ESNA) einen Innovationspreis für das Notrees-Projekt, und im November kann das Unternehmen sein bereits 8. Projekt auf Hawaii bekanntgeben, das diesmal für die Kauai Island Utility Cooperative (KIUC) durchgeführt wird.


Betavoltaische Batterie


Betavoltaik
ist ein mit der Photovoltaik vergleichbares Verfahren zur direkten Umwandlung von Beta-Strahlung in elektrische Energie mit Hilfe von Halbleitern. Betavoltaische Zellen nutzen zumeist 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 potentiell auch für Laptops oder Handys. Das Radioisotop Tritium wird häufig als Beleuchtungsquelle für Rettungsausgangs-Zeichen in Schulen, Theatern, Gewerbebauten und Flugzeugen verwendet. Der Wirkungsgrad beträgt allerdings nur rund 7 %.

Ein Pionier dieser Technologie ist Prof. Larry C. Olsen, der bereits in den 1970er Jahren bei der McDonnell Douglas Corp. eine betavoltaische Stromquelle entwickelt, die stark genug ist einen Herzschrittmacher zu betreiben. Es werden zwar mehrere hundert dieser Batterien hergestellt und eine große Zahl davon tatsächlich für implantierte Herzschrittmacher verwendet, doch zur Massenware wird Olsens Batterie nicht, da kurz nach seiner Erfindung die wesentlich günstigeren Lithium-Batterien auf den Markt kommen. Danach scheint die Weiterentwicklung der betavoltaischen Batterien erst einmal zur Ruhe zu kommen.


Die im September 1999 von der CIA 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 in den USA auch durch seine Rolle bei der Verbreitung des Computerspiels Tetris 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 die 2001 gegründete und in Albuquerque, New Mexico, ansässige 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, deren Technologie sie sich vom Sandia National Laboratories und der University of New Mexico lizenzieren läßt. 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.

Die betavoltaischen QynCells der Firma nutzen Hochleistungs-Siliciumcarbid-Halbleiter und Krypton-85 Druckgas zur Stromerzeugung und sind flexibel skalierbar – von Kubikmillimetern zu Kubikzentimetern, mit Leistungen von einigen Mikrowatt bis zu einigen Milliwatt im Bereich von einigen Mikroampere, dies dann aber für eine überaus lange Zeit von 20 Jahren oder mehr. Qynergy arbeitet bis 2007 an dieser Technologie und entwickelt erfolgreich einen vom National Research Council (NRC) lizenzierten Prototyp. Anschließend diversifiziert das Unternehmen sein Technologieportfolio und beginnt mit der Entwicklung eines Neutronendetektors sowie einem QynCap genannten asymmetrischen Ultrakondensator. Im Jahr 2009 wird in Zusammenarbeit mit der Universität von Missouri außerdem ein piezoelektrischer Neutronengenerator (PiNG) entwickelt.


Im Mai 2005 gibt die University of Rochester die Entwicklung einer 3D-Silizium-Diode aus porösem Silizium bekannt. Dies erhöht die PN-Übergangsfläche beträchtlich, die der Beta-Strahlung aus einer radioaktiven Tritiumquelle ausgesetzt ist. Das Tritium ist in einen Kunststoff eingearbeitet, um unabsichtliche Verluste zu verhindern. Das gilt als ausreichend, da die während des Zerfalls freigesetzten Beta-Partikel in den meisten Feststoffen und Flüssigkeiten nicht mehr als 25 Mikrometer durchdringen.

Die Technologie wird der 2004 von Larry L. Gadeken gegründeten Firma BetaBatt Inc. in Houston, TX, lizenziert, welche sie Direct Energy Conversion Cell (DEC Cell) nennt. Ihre Leistung beträgt zwischen 50 und 125 Mikrowatt pro cm3 des aktiven Materials, und der Wirkungsgrad beträgt rund 1 %. Es handelt sich daher um eine sehr schwache Stromquelle, nur geeignet für Langzeit-Anwendungen, bei denen ein Batteriewechsel schwierig oder unbequem ist. Das Beispiel einer früheren Version dieser Technologie ist übrigens das 1963 erteilte US-Patent Nr. 3.094.634. Dieses verwendet einen PN-Übergang von mit Bor dotiertem Silizium auf einer Seite, und mit Antimon dotiertem Silizium auf der anderen.

Es scheint aber nicht, als sei diese Firma, die mit 0,5 Mio. $ von der National Science Foundation unterstützt wird, jemals mit einem Produkt auf den Markt gekommen, auch wenn sie im Jahr 2010 noch einige Informationen über die geplante BetaBattery veröffentlicht. Diese, als selbstaufladend bezeichnete und hermetisch abgedichtete Batterie besteht aus mehreren Schichten: den mit Tritium aktivierten 3D-Silizium-Dioden, einer Dünnschicht-Li-Io-Batterie als Speicher, und einem Mikrocontroller, um den Akku stets in voll geladenem Zustand zu halten. Man hofft damit auf eine Effizienz von 10 % zu kommen. Die Produktspezifikationen sollen den Wünschen des Department of Defense entsprechen: Knopfzellen mit 25 µW bei 3 - 5 V, daraus zusammengebaute Standard 9 V Batterien, sowie eine Lebensdauer von 10 - 25 Jahren. Die Firma hofft, nach einer 1 - 2 Jahre langen Test- und Evaluierungsphase mit einer kleinen Produktion von 100 Einheiten pro Monat beginnen zu können.


Im Laufe des Jahres 2005 wird mir auch eine Innovation des bereits 2001 gestorbenen Paul M. Brown bekannt, die unter dem Namen Resonant Nuclear Battery läuft.

Burke-Patent

Burke-Patent

Der Forscher hatte sich seit den 1980er Jahren mit der Weiterentwicklung des betavoltaischen Effekts beschäftigt und u.a. auch auf einem 1970 erteilten Patent von James O. Burke aufgebaut (US-Nr. 3.530.316).

Browns auch Alpha-Beta Voltaic Effect NuCell genannte Nuklearbatterie nutzt Beta-Teilchen aus einer radioaktiven Quelle (Sr90 oder Kr85), die von einem Beryllium-Kupfer-Widerstand absorbiert werden, der mit einem LC-Schwingkreis mit einer Spule aus Silber verbunden ist. Jedes der von einem Kupferdraht absorbierten Beta-Teilchen setzt in einem Abstand von 0,762 mm 80.000 Elektronen frei. Wird dem Draht ein Potential angelegt, fließen diese freien Elektronen und schaffen einen Strom. Das verwendete Strontium 90 oder Krypton 85 stammt aus abgebrannten Kernbrennstäben, und ein kleiner Prototyp von der Größe einer Suppenschüssel erzeugt kontinuierlich 75 W. Auf den Seiten von rexresearch.com befinden sich neben den Patenten auch diverse Berichte und Erklärungen zu Browns Batterie.


Die im Jahr 2005 von Peter Cabauy gegründete Firma City Labs Inc. in der Nähe von Miami, Florida, die zunächst an der Florida International University (FIU) angesiedelt ist, gilt als Erfinder und Hersteller langlebiger NanoTritium-Batterien für die Mikroelektronik, Sensoren und andere Kleingeräte, die in der Verteidigung, inneren Sicherheit und bei medizinischen Implantaten verwendet werden. Was auch alles seine Richtigkeit hat, denn der Direktor für Forschung in dem neuen Unternehmen ist Prof. Larry C. Olsen, der uns oben bereits begegnet ist.

Der erste Prototyp der NanoTritium-Batterie kann im Dezember 2008 präsentiert werden und wird umgehend bei Lockheed-Martin thermischen, Vibrations- und Druckprüfungen unterzogen. Konzipiert ist der Akku primär zur Lieferung von Reservestrom für Memory-Systeme, die zur Verbesserung der Verschlüsselungssysteme von Sicherheit und Verteidigung dienen. Die Lebensdauer der Batterie liegt bei über 20 Jahren.

Als das Unternehmen – nach dem Umzug nach Homestead – im November 2010 den Abschluß einer ersten Finanzierungsrunde bekannt gibt, bei der es eine nicht bezifferte Investitionssumme von Alex Aguila, dem Mitbegründer von Alienware (inzwischen im Besitz von Dell), und anderen Unternehmern wie LCS Ventures einnimmt, kann es bald darauf auch einen Batterie-Liefervertrag in Höhe von knapp 1 Mio. $ mit dem US Air Force Research Laboratory vermelden. Außerdem erhält City Labs als erstes Unternehmen der Branche eine Generallizenz des Florida Department Of Health/Bureau of Radiation Control für die Herstellung und den Verkauf von betavoltaischen Batterien, die im Juni 2012 unter der Bezeichnung P100a dann auch auf den öffentlichen Markt kommen. Lieferbar sind pro Jahr etwa 1.000 Stück, zu einem Preis von jeweils rund 1.000 $.


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.

Im November 2009 berichten die Fachblogs über eine weitere 25-Jahres-Batterie, die von der in Ithaca, New York, beheimateten und 2007 gegründeten Firma Widetronix kommerzialisiert wird, einer Ausgründung der Forschungsgruppe um Prof. Michael G. Spencer an der Cornell University, der auch selbst Mitgründer ist. Dort und an der Universität Wisconsin-Madison arbeitet man schon seit einigen Jahren an Mikrobatterien, die ihre Energie aus dem radioaktiven Zerfall künstlicher Radioisotope wie Nickel-63 oder Tritium beziehen. Zum Einsatz kommen sollen die Batterien primär in militärischen und medizinischen Geräten.

Widetronix-Batterie

Widetronix-Batterie

Widetronix wird durch bislang rund 3,5 Mio. $ Risikokapital finanziert. Neben mehreren Patenten und Patentanmeldungen hat das Unternehmen seine Kerntechnologie von der Cornell University lizenziert. Im Mai 2008 gewinnt Widetronix beim Business Plan Award der Investoren Draper Jurvetson Fisher und DFJ Gotham Ventures 250.000 $, und im selben Jahr beginnt man, betavoltaische Anwendungen auf der Grundlage von Siliziumkarbid zu vermarkten. Die Batterien bestehen aus einer Metallfolie, die mit Tritium-Isotopen imprägniert ist, und einem dünnen Chip des sehr robusten Halbleiters Siliziumkarbid, der 30 % der auftreffenden Beta-Teilchen in elektrischen Strom umwandeln kann. Mit einem Quadratzentimeter großen und 2 mm hohen Stapel aus Chips und Folien in einem Paket, wird ein Mikrowatt erzielt. Ein von Lockheed Martin getesteter Prototyp produziert 25 Nanowatt Leistung. Widetronix testet seine Batterien auch gemeinsam mit dem medizintechnischen Unternehmen Welch Allyn und erwartet, die Batterien ab dem kommenden Jahr für 500 $ verkaufen zu können.

Im Mai 2010 erhält das Unternehmen vom US-Verteidigungsministerium 2,2 Mio. $, um die Entwicklung einer nuklear betriebenen Batterie mit etwa 25 Jahre Lebensdauer weiterzuführen, die sicher genug für den Einsatz im täglichen Leben ist.

Auf der Widetronix-Homepage werden 2013 unter dem Produktnamen Firefli zwei Modelle angeboten: Firefli-T mit Tritium (12,3 Jahre Halbwertszeit), wobei die Ausgangsleistung von 10 nW bis 1 µW eingestellt werden kann, im Bereich von 2 V bis 6 V. Die Tritiummenge in der mit einer Metallfolie verschlossen Packung liegt im Bereich von 25 mCi bis 2,5 Ci; sowie Firefli-N mit Nickel-63 (100,1 Jahre Halbwertszeit). Hier kann die Ausgangsleistung zwischen 5 nW und 500 nW eingestellt werden, die enthaltene Menge des Isotops liegt im Bereich von 5 mCi bis 500 mCi.


(Sie auch unter: Nukleare Mikrobatterie und Radionuklid-Batterie und Radioaktiver piezoelektrischer Generator)


Bleibasierte Batterien


Noch immer sind Bleiakkumulatoren die verbreitetste Methode, elektrische Energie zu speichern – insbesondere bei den rund 800 Million Kraftfahrzeugen überall auf dem Planeten (Stand 2005). Auch in vielen Geräten des täglichen Gebrauchs sind diese Batterien vorhanden, obwohl ihre Energiedichte nur 35 Wh/kg beträgt.

Wie wir in der geschichtlichen Übersicht gesehen haben, ist die wiederaufladbare Bleibatterie bereits 1859 erfunden worden, doch ihre Entwicklung wurde kontinuierlich fortgesetzt. Im Jahr 1975 erhält beispielsweise die Varta Batterie AG auf der 5. Internationalen Bleikonferenz in Paris den ersten Preis für einen neuentwickelten Bleiakkumulator für Elektrostraßenfahrzeuge, der fünf spezifische Details aufweist: angegossene Polbrücken, geblasene dünnwandige Zellengefäße, absolute Dichtigkeit der Zellen, flexible Polverbinder und die Optimierung aller Einzelbauteile.

Und auch bei Großanlagen werden Bleiakkus eingesetzt. Für das damals in West-Berlin als Inselsystem betriebene Stromnetz wird nach mehrjährigen, 1981 beginnenden Versuchen mit verschiedenen Batteriesystemen das Heizkraftwerk Steglitz im Jahr 1984 zum Batterie-Speicherkraftwerk umgebaut, um ab Oktober 1986 als Frequenzregeleinrichtung und Sofortreserveanlage zu dienen. Die Anlage hat eine Spitzenleistung von 17 MW, welche nach Vollladung 20 Minuten lang abgegeben werden kann, und kann im optimalen Fall in Summe 14,4 MWh an elektrischer Energie speichern. Der Batterieblock aus 1.416 Bleiakkus der Firma Hagen (5-zellige Module 10 V OCSM 1000), die ein Gesamtgewicht von 545 t haben, ist auf 12 Batterieräume verteilt und kostet 7 Mio. DM. Der Netto-Wirkungsgrad der 23 Mio. DM teuren Gesamtanlage wird mit > 76 % angegeben, während die Kosteneinsparungen durch Verbesserung der dynamischen Reservebilanz mit 4 - 7 Mio. DM/Jahr beziffert werden.

Batteriespeicher im Energiepark Mont-Cenis

Batteriespeicher im
Energiepark Mont-Cenis

Da die Stromnetze bei der Wiedervereinigung Deutschlands ebenfalls wieder verbunden und an das westeuropäische Verbundnetz (UCTE) angeschlossen werden, wird die Anlage Ende 1994 stillgelegt und steht heute unter Denkmalschutz (seit Mai 2001: Energie-Museum Berlin in der Teltowkanalstraße 9 des Berliner Ortsteils Lankwitz).


Das Beispiel für einen moderneren Großspeicher ist eine Anlage mit 816 konventionellen Bleibatterien, die 1998 im Rahmes eines Neubaukomplexes im Herner Park-Gelände (Energiepark Mont-Cenis) installiert wird, um den dort photovoltaisch gewonnen Strom zu speichern. Diese Anlage kann bei Bedarf 1,2 MWh eine Stunde lang abgeben – oder Lastspitzen bis 1,2 MW abdecken.

Damit die Hochleistungs-Batterien eine Lebensdauer von etwa 20 Jahren erreichen, wird das Batteriewasser automatisch nachgefüllt, eine Zellentemperierung installiert und die Elektrolytumwälzung zentral gesteuert.

Konzipiert und gebaut wird die Anlage von der Gesellschaft für innovative Energieumwandlung und -speicherung mbH (EUS), die im Juli eine weitere derartige Anlage in einem Windpark im münsterländischen Bocholt in Betrieb nehmen will.


Aus ökologischen Gesichtspunkten ist man inzwischen dazu übergegangen, für Transistorgeräte, Fotoapparate, Handys, elektrische Uhren, Laptops usw. Batterien mit weniger giftigen Elementen als Blei usw. herzustellen. Immerhin werden zur Zeit weltweit jährlich etwa 60 Milliarden Batterien verkauft – zumeist mit Zink- und Manganelektroden sowie Säureelektrolyt. Und auch die Anzahl bleifreier Autobatterien nimmt allmählich zu (Stand 2007).In jüngster Zeit schränken neue Gesetzesvorgaben die Verwendung von Komponenten, die Blei enthalten, immer stärker ein.


Die bleibasierten Batterien lassen sich in mehrere Ausführungen unterteilen:


Blei-Gel-Batterie


Schon seit 1934 unternimmt der bei Sonnenschein beschäftigte Otto Jache Versuche, die flüssige Schwefelsäure mittels sogenannter Gelbildner zu binden. 1957 gelingt ihm der Durchbruch durch den Zusatz des Verdickungsmittels Kieselsäure (daher auch Silizium-Gel-Akkumulator genannt), und Sonnenschein meldet die Blei-Gel-Technologie zum Patent an, welches 1958 erteilt wird. Mit der weltweiten Vermarktung unter dem Markennamen ‚dryfit’ beschert sie dem Unternehmen beachtliche Umsatzzahlen.

Die neue Technologie des wartungsfreien Bleiakkumulators in einer verschlossenen Bauform (Sealed Lead-Acid, SLA), die ein Überdruckventil enthält, wird VRLA-Akkumulator genannt (Valve Regulated Lead-Acid). Bei diesem Batterietyp befindet sich die Elektrolytmischung in einer Gelsubstanz, und die während des Ladevorgangs innerhalb der hermetisch dichten Batterie austretenden Gase werden in Flüssigkeit umgewandelt (Rekombinationsprozeß). Dadurch können weder Gase noch Säurenebel nach außen dringen. Diese VRLAs gibt es als Gelbatterien, Vliesbatterien (Absorbed Glass Mat, AGM) und AGM-Wickelzellen.

Die erste AGM-Zelle ist die 1972 von der Gates Rubber Corp. patentierte Cyclon, eine spiralförmig gewickelte Batteriezelle mit dünnen Bleifolien-Elektroden, die heute noch von der Firma Enersys produziert wird, die sich ansonsten mit Li-Io-Akkus beschäftigt (s.d.). Mitte der 1980er Jahre bringen gleichzeitig zwei britische Unternehmen, Chlorid und Tungstone, AGM-Batterien mit Kapazitäten bis zu 400 Ah und einer Lebensdauer von 10 Jahren auf den Markt. Zu dieser Zeit erwirbt die Gates Rubber Corp. ein weiteres britisches Unternehmen, Varley, das auf Flugzeug- und Militär-Batterien spezialisiert ist. Varley adaptiert die Cyclon-Bleifolien-Technologie, um Flachbatterien mit außergewöhnlich hohem Output zu entwickeln, die als Alternativen zu NiCd-Akkus in einer Vielzahl von Flugzeugen zum Einsatz kommen.

Spätestens 1994 gilt die Blei-Gel-Batterie als ausgereift, obwohl sie zumeist nur 200 bis 300 Ladezyklen erlaubt. Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien hat die Gelbatterie dafür eine deutlich höhere Lebensdauer, und auch ihre Selbstentladung ist sehr gering. Außerdem gibt es Tricks, um sogar jahrelang unbenutzt herumliegende Blei-Gel-Akkus wiederzubeleben.

Die Gelbatterie gilt als besonders umweltfreundlich und sauber und wird häufig in Freizeit- und Sportfahrzeugen, Bussen, Booten oder auch in Baumaschinen genutzt. Sie wird von diversen Anbietern wie Fiamm, Hawker USA, Panasonic, VARTA und anderen vermarktet. Ein spezielles Einsatzgebiet dieser Batterien sind Golf-Caddys. Für diese wird z.B. ein 10 kg schwerer 34 Ah Blei-Gel-Akku ohne Memory-Effekt und mit einer Ladedauer von 5 – 8 Stunden, der eine Reichweite von ca. 20 km erlaubt (ca. 27 Loch), zusammen mit passender Tragetasche und allen nötigen Anschlüssen für 79 € inkl. MwSt. angeboten (Stand: 2013).


Blei-Kobalt-Batterie


Auf Grundlage der Erfindung einer Tri-Polaren Blei-Kobalt-Batterie durch Robert Raymond Aronsson im Jahr 1953 in Puerto Rico, wird 1966 in New Orleans, Louisiana, die Electric Fuel Propulsion Corporation (EFP) gegründet, um diese Batterieform bei Kraftfahrzeugen einzusetzen.

Schon der erste Prototyp, ein Elektrofahrzeug namens MARS I, zeigt bei einem Test der Shilstone Testing Laboratories 1966 eine Reichweite von 200 km mit einer Ladung, was zur damaligen Zeit revolutionär ist. Ein Jahr später testet GM den MARS II, der sogar knapp 234 km weit kommt. Bei einem großen transkontinentalen Elektroauto-Rennen 1968 zwischen Teams des CalTech und des MIT über eine Strecke von 3.398 Meilen gewinnt das CalTech-Team aufgrund der von ihm genutzten Tri-Polaren Blei-Kobalt Batterien.

Bis 1969 werden in Detroit 45 Stück dieses Wagenmodells gebaut und an die Wisconsin Electric Power Corp., die Pennsylvania Power Corp. und andere Strom- und Wasserversorgungs-Unternehmen verkauft (von denen 2004 immer noch sechs in Betrieb sind!). Ebenfalls 1969 folgt der Entwurf und die Konstruktion des Silver Volt Elektromobils. Und 1970 gewinnt ein mit diesen Batterien ausgestattetes E-Mobil das Clean air car race.

Im Jahr 1971 stellt EFP mit dem Electrosport Kombi das erste Großserien-Elektroauto seiner Zeit vor, und um die Rentabilität des Elektroauto-Geschäfts zu zeigen, installiert die Firma – vier Jahrzehnte vor Tesla! – den weltweit ersten ‚Elektro-Auto-Expressway’ auf einem Teil der Interstate 94 zwischen Detroit und Chicago, indem auf einer Strecke von etwa 483 km bei Holiday Inn Hotels in der Nähe der Autobahn sechs 50 kW Ladestationen errichtet werden.

Es dauert dann allerdings bis 1980, bis in Freeport auf den Bahamas die ersten Silver Volts montiert werden, die 1982 ihre Straßentests absolvieren.

TPX-1

TPX-1

Im Jahr 1988 erfolgt in China der Bau einer Anlage zur Herstellung der Batterien für die Industrie und für U-Boote. Die serienmäßig hergestellten Modelle TPX-1 besitzen eine Energiedichte von 37 Wh/kg und sind schnell wiederaufladbar, bereits nach 45 Minuten erreichen sie schon 80 % ihrer Kapazität.

1994 wird die Electric Auto Corporation (EAC) gegründet, als weltweit exklusiver Lizenznehmer der EFP-Technologien, deren Name 2001 in Apollo Energy Systems Inc. (AES) geändert wird. Sitz der Firma ist in Pompano Beach, Florida. Hier geht die Entwicklung weiter, und die Version TPX-1.5 zeigt im Jahr 2012 eine Energiedichte von 55 Wh/kg. Außerdem wird an einem fortgeschrittenen Modell TPX-2 gearbeitet, das als Akku der 2. Generation bezeichnet wird und aus leichtem Bleischaum besteht (der uns weiter unten noch ausführlicher begegnen wird). Das hierfür erhaltene Patent wurde bereits 2006 erteilt (US-Nr. 7.037.620). Das Unternehmen hofft, damit eine Energiedichte von 99 Wh/kg zu erreichen und einem MARS II eine Reichweite von 624 km zu ermöglichen.

Daneben bietet die Firma mehrere Ausführungen von Parallel-Systemen an, bei denen zur Stromversorgung von Elektroautos die Kombination aus einer Apollo Blei-Kobalt-Batterie und einer alkalischen Brennstoffzelle zum Einsatz kommt. Seit den 1960er Jahren haben Antriebssysteme des Unternehmens mehr als zweitausend Fahrzeuge angetrieben, darunter umgebaute amerikanische und europäische Automobile sowie neben den o.g. eigenen Fahrzeugen noch den Mars Van und den Transformer I, neuere Fahrzeuge sind der Mars III, der Silber Volt II und GT, über die ich bislang noch keine näheren Details finden konnte.


Blei-Säure-Batterie


Blei-Säure-Batterien oder auch Bleiakkumulatoren, deren Entstehungsgeschichte oben bereits dargestellt wurde, bestehen aus Bleiplatten bzw. Plattengruppen, von denen die eine als positiv und die andere als negativ gepolte Elektrode dienen, während als Elektrolyt 38 %ige Schwefelsäure (H2SO4) eingesetzt wird. Bei den handelsüblichen Ausführungen in säurefesten Gehäusen, z.B. Starterbatterien für Kraftfahrzeuge oder Energiespeicher in Gabelstaplern, bei denen der schwere Bleiakku gleichzeitig als Gegengewicht an der Hinterachse dient, sind die Elektrodenplatten dicht ineinander geschachtelt und durch Separatoren voneinander getrennt, um einen Kurzschluß durch direkte Berührung zu verhindern. Als Separatorfläche kommt z.B. perforiertes, gewelltes Polyvinylchlorid (PVC) zum Einsatz.

Im Vergleich zu anderen Akkumulatortypen haben Bleiakkus mit Durchschnittswerten von 30 Wh/kg eine relativ geringe Energiedichte. Dafür besitzen sie jedoch eine Lebensdauer von mehreren Jahren, sind preisgünstig und gelten als zuverlässig. Das Interessanteste ist allerdings, daß die Blei-Säure-Batterie theoretisch in der Lage ist, 216,8 Wh/kg zu liefern. Unabhängig von ihrer weltweiten Verbreitung im Laufe von bislang 150 Jahren sind daher auch heute noch diverse Firmen und Forschungsinstitute mit der Weiterentwicklung dieses Batterietyps beschäftigt... der u.a. auch im bei dem revolutionären zweisitzigen EV1 von GM im Jahr 1996 eingesetzt wurde.

Im Folgenden präsentiere ich die Entwicklung der jüngeren Vergangenheit ab 2006, die belegt, daß auch bei der guten alten PbA-Batterie (Plumbum und Acid) das Ende der Fahnenstange noch lange nicht erreicht ist...


Die im Jahr 2003 von Ed Williams und Mil Ovan gegründete Firma Firefly Energy Co. aus Peoria im US-Bundesstaat Illinois kommt 2006 mit der Meldung über eine weiterentwickelte Blei-Batterie in die Presse, deren Basistechnologie ab 2002 von Kurt Kelly in den Laboren des LKW- und Baufahrzeugspezialisten Caterpillar entwickelt wurde, von wo aus sich die Firma auch ausgegründet hatte.

Das junge Unternehmen hat den alten Ansatz der Bleiakkumulatoren stark überarbeitet, ihr Gewicht reduziert, die Lebensdauer erhöht und sie ähnlich leistungsfähig gemacht wie Nickel-Metall-Hydrid-Akkus (NiMH), ohne daß es zu Problemen bei der Haltbarkeit kommt. Da Blei relativ günstig ist und bereits große Infrastrukturen zur Produktion von bleibasierten Akkus existieren, sollen die neu entwickelten Energiespender außerdem nur ein Drittel dessen kosten, was man für NiMH-Akkus zahlen muß.

Microcell-Bleischaum-Zelle

Bleischaum-Zelle
(Microcell)

Die Probleme bei Gewicht und Leistungsausbeute löste Firefly, indem statt schwerer Bleigitter ein leichter Graphit-Schaum verwendet wird, um die Elektronen einzusammeln, die bei der chemischen Reaktion in der Batterie entstehen. Das neue Gitter aus Graphit-Schaum ist außerdem deutlich resistenter gegen Korrosion, welche traditionellen Bleiakkus irgendwann den Garaus macht. Seit Dezember 2005 besitzt FireFly das entsprechende Patent mit dem Titel ‚Battery Including Carbon Foam Current Collectors’ (US-Nr. 6.979.513).

Obwohl man noch im Prototypen-Stadium steckt, hat Firefly bereits das Interesse mehrere großer Hersteller geweckt, darunter Caterpillar sowie BAE Systems, Hersteller des Kampffahrzeugs ‚Bradley’. Der schwedische Elektrolux-Konzern wiederum, zu dessen Marken die Gartengerätefirmen Husqvarna, Poulan und Weed Eater gehören, plant bereits für das kommende Jahr vollelektrische Geräte mit der Firefly-Batterie auszustatten.

In einer Finanzierungsrunde B im November 2006 kann Firefly von Caterpillar, Stark Capital, KB Partners, der Illinois Finance Authority und dem Tri-County Venture Capital Fund insgesamt 10 Mio. $ einnehmen. Und im Mai 2007 gibt es einen Entwicklungskredit der Stadt- und des Landkreises Peoria in Höhe von 6 Mio. $ (andere Quellen: 7 Mio. $). In diesem Jahr erringt das Unternehmen sowohl den Technology Innovation Award des Wall Street Journal, als auch den R&D 100 Award des R&D Magazine, der als Oscar der Erfindungen gilt.

Im Oktober 2007 kündet das Unternehmen dann eine neue Tiefentladungs-Batterie unter dem Namen Oasis Group 31 an, die bereits im Sommer 2008 auf den Markt kommen soll. Ihre Entwicklung erfolgte speziell zur Versorgung der Elektronik in den Schlafkabinen der Fernverkehr-Lkws, welche während der Fahrpausen bislang vom Dieselmotor des Fahrzeugs betrieben wurden. Der Wechsel wird erforderlich, da neue Leerlauf-Beschränkungen die Emissions- Vorschriften für geparkte große Lastwagen verschärfen (pro Stunde sind nur noch 5 min. Leerlauf-Motorbetrieb erlaubt). Mit den neuen Batterien soll sich aber auch die Reichweite von Elektromobilen mindestens verdoppeln lassen, bei gleichzeitig reduzierten Batteriegewicht und verlängerter Lebensdauer. Eingesetzt wird auch hier die inzwischen markenrechtlich geschützte Microcell-Schaum-Technologie, mit der die Oasis-Batterie eine Energiedichte von 39 Wh/kg erreicht.

Mitte 2008 erhält das Unternehmen, das inzwischen rund 45 Mitarbeiter beschäftigt, in einer Finanzierungsrunde C von hochkarätigen Investoren wie Khosla Ventures, Infield Capital und dem Quercus Trust weitere 15 Mio. $. Außerdem steckt das US-Verteidigungsministerium in diesem Jahr einen Betrag von 2 Mio. $ in Firefly (andere Quellen: 2,5 Mio. $), damit das Unternehmen Batterien für leise Militärfahrzeuge bauen kann, die während der Kampfeinsätze ihre lärmenden Verbrennungsmotoren abschalten können. Ende des Jahren werden die Batterien testweise auch in 4 Freightliner-Lkw von G&D Integrated in Morton eingebaut.

Im März 2010 muß die Firefly International Energy Co. allerdings den Konkurs bekanntgeben, nachdem schon im Juni 2009 fast die Hälfte der Belegschaft entlassen worden war. Die Schuld für das Scheitern wird der allgemeinen wirtschaftlichen Lage sowie dem Unvermögen der Firma zugeschrieben, im Laufe der letzten 15 Monate die benötigte Eigenkapitalerhöhung um weitere 20 Mio. $ zu verwirklichen. Außerdem war es nicht gelungen, auf dem Lkw-Markt Fuß zu fassen, der das eigentliche Ziel bildete. Der Presse zufolge planen die Stadt und der Landkreis Peoria rechtliche Schritte, um sich die vor drei Jahren vergebene Staatsanleihe von 6 Mio. $ zurückzuholen.

Letztlich wird das Unternehmen Ende 2010 von Mukesh Bhandari gekauft, einem indischen Geschäftsmann und Vorsitzender der Firma Electrotherm, die in Indien Elektroroller produziert, und in Firefly International Energy Co. (FIE) umbenannt. Bhandari hegt dem Blei-Säure-Batterie-Markt gegenüber große Hoffnungen, den er auf 16 Mrd. $/Jahr beziffert.

Ende 2012 liegt die Produktionsrate bei Firefly allerdings nicht sehr hoch: Die neun Mitarbeiter stellen jeden Tag nur 8 – 10 Oasis-Batterien her, die für etwa 450 $ das Stück verkauft werden. Diese werden u.a. genutzt, um jene Firefly-Batterien zu ersetzen, welche die neun Stadt-Busse von CityLink, der öffentlichen Bus-Transportgesellschaft in Peoria, seit März 2009 angetrieben haben. Während die üblichen Blei-Säure-Batterien in den dortigen Bussen eine durchschnittliche Batterielebensdauer von 13 bis 15 Monaten zeigten, lief die Firefly Batterie drei Jahre lang. CityLink ist so zufrieden, daß sie in ihrer Flotte zukünftig ausschließlich FIE-Batterie verwenden wollen. Auch die Armadillos (Gürteltiere) genannten Fahrzeuge zur Immissions-Bekämpfung, welche das Peoria Police Department einsetzt, sind mit mehreren Oasis G31-Batterien ausgestattet, die die Überwachungsanlagen der Fahrzeuge versorgen. Während zuvor häufig schon innerhalb von sechs Monaten Batterieversagen konstatiert werden mußte, absolvierten die Oasis-Batterien trotz der hohen Arbeitsbelastung und der extremen Wetterbedingungen, denen die Fahrzeuge ausgesetzt sind, einen Einsatz von mehr als zwei Jahren.

Nun will Bhandari die Produktionsrate der Batterien auf 25 pro Tag erhöhen, um später auf einen Ausstoß von 5.000 bis 6.000 Batterien pro Monat zu kommen. Außerdem soll die Herstellung der Batterie auch an andere Unternehmen lizenziert werden. Bhandari setzt seine Hoffnung auf den Blei-Säure-Batterie-Markt, den er zu diesem Zeitpunkt auf 16 Mrd. $ beziffert. In der reformierten Firma arbeitet auch Kelley, der das Konzept ursprünglich entwickelt hatte.

Die jüngste Meldung vom Mai 2013 besagt, daß die Oasis 12 V Batterien nun auch an Verbraucher, Unternehmen und Händler verkauft werden. Ihre Produktion soll in Zukunft allerdings nach Indien verlagert werden, um größere Stückzahlen zu erreichen, während in Peoria andere Akkutypen hergestellt werden sollen.


Ebenfalls im Jahr 2006 arbeitet I. Francis Cheng von der University of Idaho an fortschrittlichen Bleiakkus für Militäranwendungen. Zusätzlich zu dem Ansatz, den schon Firefly verfolgt, werden von Cheng Zusatzstoffe eingesetzt, die das Gewicht weiter reduzieren bzw. die Leistungsfähigkeit weiter steigern sollen. Die vergrößerte aktive Oberfläche innerhalb der Batterie ermöglicht einen schnelleren Ladevorgang bei gleichzeitig höherer Leistungsabgabe. Weitere Details sind nicht zu finden.


Das 1991 gegründete britische Batterieunternehmen Atraverda Ltd. in Abertillery, Gwent/South Wales, vereinbart im Oktober 2006 eine Kooperation mit dem weltgrößten, unabhängigen Batterieproduzenten, der schon 1946 gegründeten amerikanischen East Penn Manufacturing Co. Inc. in Lyon Station, Pennsylvania, um auf Grundlage der von Atraverda entwickelten Technologie erstmals echte bipolare Blei-Säure-Batterien herzustellen.

Bei den Atraverda Ceramic Batterien wird der elektrisch leitende Keramikstoff Ebonex verwendet, der es ermöglicht, kleinere, leichtere und effizientere Batterien herzustellen als bislang. Das Material aus Titaniumoxid verbindet die Leitfähigkeit von Metallen mit der Korrosionsresistenz von Keramik. Die Designstudie einer 36/42 V Bipolar-Fahrzeugbatterie mit 20 Ah wiegt 15 kg und hat ein Volumen von weniger als 7 Litern, während vergleichbare konventionelle Systeme 24 – 28 kg wiegen und ein Volumen von 9 – 11 Litern aufweisen. Darüber hinaus soll der Bleibedarf nur noch 40 % betragen. In der Atraverda Keramik-Batterie sind die sonst üblichen multiplen Schichten aus Gittern, Paste und Separatoren durch eine einzige Schicht aus einem leitenden Material ersetzt, dem patentierten Ebonex Bipol-Element, das die positive und negative Elektrodenpaste sowohl unterstützt als auch trennt. Das einzelne Element bildet eine 2 V Zelle, genau wie bei seinem traditionellen Gegenstück. Einzigartig ist, aufgrund der innovativen Technologie, daß eine Atraverda Batterie in nahezu jede beliebige Form gebracht werden kann – ein echter Segen für Design-Ingenieure.

Im November 2011 ist das Unternehmen Teil eines Konsortiums, das den Einsatz von neuen Werkstofftechnologien in der Energieerzeugung, -übertragung, -verteilung und -speicherung planen und demonstrieren will. Das von den Sharp Laboratories Europe angeführte Intelligent Solar Energy Projekt ist eines von sieben Kooperationsprojekten, die als Teil einer mit 3 Mio. £ finanzierten Förderinitative des staatlichen Technology Strategy Board zur Unterstützung der Entwicklung sauberer Energietechnologien ausgewählt wurden. Das zweijährige Projekt beginnt im April 2012 und zielt darauf ab, in drei Stufen den Prototyp einer intelligenten und unterbrechungsfreien Stromversorgung als PV-Energiespeichersystem für den domestischen Markt in Europa zu entwickeln, bei dem die Atraverda-Batterien zum Einsatz kommen.

Atraverda-Designs Grafik

Atraverda-Designs (Grafik)

Im Juni 2012 wird gemeldet, daß das Unternehmen für den Übergang in die kommerzielle Batterieproduktion von den aktuell 7 Investoren und Venture-Capital-Unternehmen, darunter Finance Wales, Scottish Equity Partners, Chord Capital, EnerTech Capital und OnPoint Technologies, im Laufe des Jahres weitere 10 Mio. £ benötigt. Damit soll der Ausstoß des Werkes in Wales erhöht werden, um bis 2014 rund 150.000 Batterien pro Jahr herstellen zu können. Hier wird der weltweite Markt für Blei-Säure-Batterien auf eine Höhe von etwa 8 Mrd. $ geschätzt.

Zu diesem Zeitpunkt steht Atraverda kurz davor, den ersten Vertrag mit einem ungenannten US-Solarinstallateur abzuschließen, welcher großtechnische Projekte auf Dächern sowie Solarparks errichtet und die Batterien für Backup-Stromspeicher-Systeme verwenden will. In drei Jahren soll dieses Geschäft 12 Mio. $ Einnahmen bringen. Zusätzlich laufen Gespräche mit einem japanischen Originalhersteller, nachdem die Nation im Zuge der Fukushima-Katastrophe die Entscheidung zur Beendigung der Atomkraft getroffen und die Haushalte aufgefordert hatte, in ihren Häusern Batterien zu installieren. Hierbei geht es um Lieferungen in Höhe von 2 Mio. $ pro Jahr. Sollten beide Verträge zustande kommen, wäre die Kapazität des Unternehmens mit einer Produktionsrate von rund 6.000 Batterien pro Monat für die nächsten 12 Monate ausgelastet.

Tatsächlich kann im September 2012 ein Vertragsabschluß mit der neuen US-Firma Zennrg aus Texas gemeldet werden, bei dem im ersten Jahr ein Lieferumfang von 1,2 Mio. $ vereinbart wird. Da es Atraverda jedoch nicht gelingt, das benötigte Kapital für die Produktionserweiterung zu beschaffen, wird im November die Aussetzung der Produktion bekanntgegeben. Im Dezember wird eine Insolvenzkanzlei mit der Abwicklung der Firma beauftragt, außerdem werden 37 von bislang 44 Mitarbeitern entlassen. Die Gläubiger und Investoren des Batterieherstellers müssen sich auf einen Verlust von mehr als 4 Mio. £ einstellen.


Eine weitere Firma, die sich im Oktober 2006 intensiv mit der Graphit-Schaum Technologie beschäftigt, ist die Power Technology Inc. aus Houston, Texas. Die geht aus dem im Juni erteilten Patent ‚Current collector structure and methods to improve the performance of a lead-acid battery’ hervor (US-Nr. 7.060.391).

Das Unternehmen soll bereits eine Produktionsanlage für die patentierten Stromkollektoren hochziehen, bei denen der vernetzte, glasartige Kohlenstoff mit einer dünnen Schicht aus einer Zinn-Blei-Legierung überzogen ist. Damit wird die aktive Fläche für die elektrochemischen Reaktionen um das vierfache vergrößert.

Während die neuen Batterien dadurch um bis zu 50 % kleiner und leichter hergestellt werden können, steigt gleichzeitig ihr Wirkungsgrad auf bis zu 78 % (im Gegensatz zu den 30 % bis 40 % normaler Bleibatterien).

Bereits im Vorjahr hatte Power Technology bekanntgegeben, daß die Nuytco Research Ltd. aus Vancouver, British Columbia/Kanada, ein Hersteller von Unterwasserfahrzeugen, um einige Batterien für Prototypen-Tests gebeten hatte, während sich die Toyota Tsusho Corp. bereit erklärt hatte, die Batterietechnik zu beurteilen. Außerdem soll der Investor Cornell Capital Partners zugestimmt haben, mit zusätzlichen 1,1 Mio. $ den Kauf von Maschinen und Ausrüstung zu ermöglichen, die für die Pilotanlage zur Herstellung erforderlich sind.

Später gibt es jedoch keine weiteren Informationen über das Unternehmen, und auch dessen Homepage ist nicht mehr Online.


Ende 2007 präsentieren Forscher der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), dem wichtigsten nationalen australischen Forschungsinstitut, eine deutlich optimierte Bleibatterie, die fast genauso gut ist wie die aktuellen, dafür aber wesentlich teureren Nickel-Metallhydrid-Systeme. Die 2003 von einem Team um Dr. Lan Lam erfundene genannte UltraBattery verbindet die konventionelle Bleiakku-Technik mit einer Superkondensator-Elektrode (s.d.). Die negative Elektrode der UltraBattery ist in zwei Hälften aufgeteilt, von denen die eine aus Blei und die andere aus aktiviertem Kohlenstoff besteht. Da die beiden Hälften parallel geschaltet sind, können sich ihre Ströme kombinieren. Durch dieses ‚gespaltene’ Elektrodendesign erhält der Akku das Beste aus beiden Technologien: Die neue Batterie hält 3 – 4 Mal länger als die alten Bleiakkus, produziert 50 % mehr Leistung und soll etwa um 70 % günstiger sein als vergleichbare existierende Hybrid-Batteriepakete.

Für Hybridfahrzeuge kombiniert das CSIRO ein 60 V Batterie-Pack mit einem 150 V Supercaps-Pack. Damit ist für 30 Minuten ein rein elektrischer Betrieb gewährleistet, bei sehr gutem Anfahr- und Beschleunigungsverhalten. Das Konzept der UltraBattery wird in Japan von Toyota, Honda und Suzuki getestet. Auf einer Teststrecke in Großbritannien absolviert ein Honda Insight Hybrid, der mit einem UltraBattery-Satz ausgerüstet ist, eine Fahrstrecke von mehr als 160.000 km – ohne daß die Batterie dabei extern nachgeladen werden muß. Die Version für den stationären Markt wird auf der Bais von Zellen mit 2 V und 1.000 Ah gebildet, wobei jede Linie aus 12 Zellen besteht (24 V/1.000 Ah), und jeweils vier Linien zu einem System aus 48 Zellen zusammengefaßt werden.

Vermarktet wird die UltraBattery als Smart Storage technology, wofür im Juli 2007 in Sydney von der CSIRO und dem Investor Cleantech Ventures die Firma Smart Storage Pty Ltd. (Ecoult) gegründet wird, welche die innovative Hybridbatterie weiterentwickeln und vertreiben soll. Um ein Pilotsystem an einer Windfarm in Newcastle zu installieren, wird das neue Unternehmen im September mit einem COMET-Zuschuß in Höhe von 80.000 $ von AusIndustry bedacht.

UltraBattery-Speicher am Windpark Hampton

UltraBattery-Speicher am
Windpark Hampton

Im September 2008 wird zwischen dem Hauptlizenznehmer, der japanischen Firma Furukawa Battery Co. Ltd. aus Yokohama, die bereits mit der Produktion der UltraBatterys begonnen hat, und der amerikanischen East Penn Manufacturing Co., die uns oben bei der Fa. Atraverda schon begegnet ist, eine internationale exklusive Vermarktungs- und Vertriebsvereinbarung unterzeichnet. Während sich East Penn auf den Absatz der UltraBattery auf dem Automobil- und Antriebsenergiemarkt in Nordamerika, Kanada und Mexiko konzentriert, übernimmt Furukawa die entsprechenden Märkte in Japan und Thailand. In Australien selbst ist die neue Batterie, die innerhalb von zwei Jahren im Handel erhältlich sein soll, bislang noch nicht für Anwendungen im Automobilbereich lizenziert.

Im März 2009 erhält Ecoult einen Zuschuß in Höhe von 1,425 Mio. $ vom NSW Department of Environment, Climate Change and Water, sowie weitere 1,825 $ aus dem Advanced Electricity Storage Technologies program der australischen Bundesregierung, um im Hampton-Windpark nahe den Blue Mountains in New South Wales ein Demonstrationsprojekt mit einem 100 kWh Batteriespeicher zu installieren, mit dem Windstrom gespeichert und die Spannung und Stromlieferung an die netzverbundenen Übertragungsleitungen geglättet werden soll.

Als US-Präsident Barack Obama im Rahmen des American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) im August die Finanzierung von 48 fortschrittlichen Batterie- und Elektroantrieb-Projekten mit einer Gesamtsumme von 2,4 Mrd. $ bekannt gibt, gehen davon 32,5 Mio. $ an die Firma East Penn, um die UltraBattery beschleunigt weiterzuentwickeln und zu produzieren. Im November gibt es weitere 2,25 Mio. $ für East Penn, diesmal vom US-Energieministerium, um eine schlüsselfertige 3 MW Anlage zur Regulierung der Netzfrequenz zu installieren.

Im Mai 2010 verkauft Cleantech Ventures seinen Anteil an der Firma Ecoult an die East Penn. Die I. Phase des Hampton-Demonstrationsprojekts geht im September in Betrieb, und im November unterzeichnet East Penn einen Liefervertrag mit der Public Service Co. of New Mexico (PNM), um bei einer 500 kW Solarfarm in Albuquerque, New Mexico, eine Multi-MWh Speicherlösung zu implementieren, die gleichzeitig den erzeugten PV-Strom glättet. Dabei kommt eine Kombination aus UltraBatterys und fortschrittlichen VRLA-Batterien zum Einsatz. Das Projekt wird durch das US Department of Energy unterstützt.

Im Juni 2011 folgt die Inbetriebnahme der II. Phase in Hampton, und genau ein Jahr später, im Juni 2012 erfolgt der Betriebsstart der 3 MW Anlage zur Netzfrequenz-Regulierung in den USA (PJM Pennsylvania-Jersey-Maryland Interconnection Regulation Services Project), die mit den neuen Deka UltraBatterys von East Penn bestückt ist.

Im Oktober 2012 erhält Ecoult von dem Stromversorger Hydro Tasmania den Auftrag, ein Batterie-basiertes Speichersystem für das King Island Renewable Energy Integration Project (KIREIP) zu liefern. Der 3 MW/1,6 MWh UltraBattery-Speicher hat die Fähigkeit, die gesamte Insel für bis zu 45 Minuten mit Strom zu versorgen. Es handelt sich um das bislang größte Batterie-Speichersystem Australiens. Die UltraBattery-Technologie wird zu diesem Zeitpunkt weltweit in drei erneuerbaren Energieprojekten eingesetzt. Neben dem o.g. Windpark in New South Wales sind dies das Energie-Regulierungsystem in Pennsylvania und die Solarenergieanlage in New Mexico.

Im März 2013 wird Ecoult im Rahmen des Emerging Renewables Program der australischen Agentur für Erneuerbare Energien (ARENA) mit 480.000 $ bedacht, um die UltraBattery-Technologie weiter zu optimieren. Das Ganze läuft in einem 30-Monats-Projekt mit einem Gesamtumfang von 1,16 Mio. $, bei dem der Einsatz in drei verschiedenen Bereichen untersucht werden soll: in einem Wohngebiet mit einer hohen Anzahl von Haushalts-Solaranlagen, in weit abgelegenen Gebieten, die nicht an das nationale Stromnetz angeschlossen sind, sowie bei Hybrid-Diesel-Systemen.


An einem ähnlichen Bleibatterie-Hybrid arbeitet das 2004 von neun Investoren gegründete US-Unternehmen Axion Power International mit Sitz in Toronto, Kanada, das eine zu 99 % recycelbare Batterie mit dem fast unansprechlichen Namen ‚multi-celled asymmetrically supercapacitive lead-acid-carbon hybrid battery’ entwickelt. Netterweise werden die patentierten neuen Zellen auch e3 Supercells genannt, zumindest anfänglich. Später werden sie einfach als Axion PbC-Batterien bezeichnet (Blei- und Kohlenstoff-Elementsymbole: Pb, lateinisch plumbum, und C).

Die ersten Prototypen werden bereits im Gründungsjahr getestet und zeigen, daß sie unbeschadet mehr als 1.600 Ladezyklen überstehen können, während konventionelle Bleibatterien bereits nach 300 – 500 Zyklen ihren Geist aufgeben. Der Trick liegt in der negativen Elektrode, die nicht aus einer Bleiplatte, sondern aus Aktivkohle besteht, einem hochporösen, schwammartigen Material, wie es auch bei Ultrakondensator-Elektroden verwendet wird. Wenn sich eine reguläre Batterie entlädt, reagiert die Führungselektrode mit Sulfationen, wobei sich Bleisulfat bildet und Protonen und Elektronen geschaffen werden. Bei Axions Aktivkohle-Elektrode hingegen erfolgt die Freisetzung und Adsorption der Protonen während der Lade- und Entladungsvorgänge direkt aus dem Schwefelsäure-Elektrolyt. Dadurch lassen sich die Batterien viermal so schnell aufladen wie herkömmliche. Und während NiMH-Batterien, je nach Anwendung, zwischen 800 $ und 1.200 $ pro Kilowattstunde kosten, soll man dies bei der Axion-Batterie für nur 200 $ bekommen.

Im Juli 2005 wird eine vorläufige Allianz mit der Hybridyne Power Systems Canada Inc. eingegangen, um ab Juni des Folgejahres an mindestens fünf Demonstrationsstandorten ein von Hybridyne betreutes Testprogramm zu starten. Im Februar 2006 erhält Axion den Frost & Sullivan Technology Innovation Award für Nordamerika. Und im Mai beginnt die Produktion von vor-kommerziellen Prototyp e3 Superzellen in kleinen Mengen.

Anfang 2007 zieht Axion von Toronto nach New Castle, Lawrence County, etwa 80 km nördlich von Pittsburgh, Pennsylvania, was durch verschiedene Staatshilfen in Gesamthöhe von 1,2 Mio. $ unterstützt wird. Im April werden das neue Forschungs- und Entwicklungszentrum sowie die Produktionsstätte eröffnet, die sich in den übernommenen Hallen der ehemaligen New Castle Battery Co. befinden. Und im Juli wird die letzte Tranche einer Finanzierungsvereinbarung mit dem The Quercus Trust aus Newport Beach, Kalifornien, in Höhe von 18 Mio. $ geschlossen.

Im Oktober 2008 erhält das Unternehmen vom Department of Homeland Security 1,2 Mio. $, um für entsprechende Tests Dutzende von Angriffsfahrzeugen des US-Marine Corps mit den Blei-Kohlenstoff-Akkus nachzurüsten. Außerdem soll im Bundesstaat New York bald eine Bank aus 1.000 Axion-Batterien als Netz-Puffer getestet werden (was ich allerdings nicht verifizieren konnte). Im November kann Axion einen Auftrag über 92.250 Blei-Säure-Batterien verbuchen, die im Laufe der folgenden 11 Monate auf den eingemotteten Montagelinien der New Castle Factory unter dm Maut-Herstellungsvertrag eines großen nordamerikanischen Batterieherstellers produzieren werden sollen. Die Bestellung wird im nächsten Jahr einen Umsatz von 6,4 Mio. $ generieren. Die ursprüngliche Batteriefertigungsanlage, die Axion 2006 gekauft hatte, besteht aus zwei Linien für Blei-Säure-Batterien sowie einer dritten Linie für versiegelte AGM-Batterien mit einer Gesamtkapazität von 3.000 Batterien pro Tag. In den ersten 9 Monaten des Jahres 2008 werden die Linien teilweise wieder instand gesetzt und verbessert oder durch auf Auktionen günstig erstandene Anlagen ersetzt. Nun soll die Herstellung bis Mitte 2009 auf 50.000 Einheiten pro Monat ausgebaut werden.

PowerCube von Axion

PowerCube von Axion

Im Februar 2009 erhält Axion aus dem Pennsylvania Alternative Fuels Incentive Grant program 800.000 $, um seine Batterien in Elektrofahrzeugen zu testen. Weitere rund 380.000 $ gibt es als Zuschuß des Advanced Lead-Acid Battery Consortium. Bis zu diesem Zeitpunkt hat das Unternehmen damit insgesamt 30 Mio. $ für seine Entwicklung erhalten bzw. investiert. Im April wird mit Exide Technologies aus Alpharetta, Georgia, die endgültige Absichtserklärung über einen mehrjährigen, globalen OEM-Liefervertrag für Axion PbC-Batterien und andere Axion-Technologies unterzeichnet. Im August beginnt die Auslieferung. Im September schießt der The Quercus Trust weitere 2 Mio. $ in die Firma, die derweil an einer Kapitalerhöhung von mindestens 10 Mio. $ arbeitet. Im Dezember werden dann Aktien im Wert von 26 Mio. $ ausgestellt. Außerdem erhält das Unternehmen einen Zuschuß der Pennsylvania Energy Development Authority in Höhe von 248.650 $, um die Entwicklung und Bereitstellung eines 500 kW PowerCube PbC-Batterie-Energiespeichersystems für die Smart-Grid-Technologie zu unterstützen. Der Container-große PowerCube kann mit einer solarbetriebenen CleanCharge Elektrofahrzeug-Ladestation von Envision Solar konfiguriert werden und erlaubt auch die zukünftige Integration einer Windenergieanlage.

Ähnlich geht es auch in den Folgejahren weiter. Im Februar 2010 gibt es einen 300.000 $ Zuschuß aus dem Solarenergie-Programm der staatlichen Commonwealth Financing Authority, um auf Basis der PbC PowerCube Batterie-Technologie ein Solarenergiespeichersystem zu entwickeln. Ebenfalls in diesem Monat erhält die Firma ihr bereits 7. Patent zum Schutz der Kernaspekte ihrer Superkondensator-Technologie. Im März wird eine Reihe neuer Aufträge für die OEM-Produktion und Lieferung von Blei-Akkumulatoren gemeldet, wobei der Gesamtpreis je nach Abrufmenge zwischen 3,5 und 8 Mio. $ liegt.

Im November 2011 wird in Partnerschaft mit Viridity Energy aus Philadelphia ein PowerCube – in Form eines mobilen und skalierbaren 500 kW/250 kW Batterie-Speichersystems – als Energieressource bei PJM Interconnection integriert, einem der weltweit größten regionalen Stromübertragungs-Organisationen die 650 Unternehmen und 58 Millionen Menschen in Columbia versorgt. Diese Technik kann in Bausteinen bis auf ​​1 MW Leistung für 30 Minuten bzw. 100 kW für 10 Stunden erweitert werden. Axions Gesamtumsatz 2011 beträgt 9 Mio. $.

Als im Januar 2012 die Siltek Inc. aus Herndon, Virginia, auf dem Naval Yard in Washington DC im Auftrag der US-Marine ein Null-Energie-Haus installiert, wird zur Stromversorgung ein Mini-Cube (o. mini-PowerCube) von Axion integriert, dessen 36 PbC-Batterien mit dem 32 kW Kollektorfeld des Hauses verbunden ist. Im April gibt das Unternehmen bekannt, neue Aktien in Höhe von 9,4 Mio. $ plaziert zu haben, und im Mai gibt es wieder einmal einen Zuschuß aus dem US Department of Energy in Höhe von 150.000 $, um den Kommerzialisierungsplan für die Nutzung der PbC-Batterien in einer ‚low-cost, high-efficiency’ Zwei-Batterien-Architektur für Mikro-Hybrid-Fahrzeuge zu finanzieren. Im Juni folgt die Meldung, daß Axion gemeinsam mit der Rosewater Energy Group in Fort Lauderdale, Florida, eine projektspezifische Absichtserklärung zur Entwicklung und Vermarktung eines Energiespeicherkubus für den Wohnmarkt unterzeichnet hat.

Die erste Meldung im Januar 2013 besagt, daß Axion die Auslieferung seiner Hochleistungs-PbC-Batterien an das nordamerikanische Transportunternehmen Norfolk Southern Corp. (NS) abgeschlossen hat, die dort ihre Wirksamkeit für Eisenbahnanwendungen demonstrieren sollen. Zum Einsatz kommen die Batterien im Wert von rund 475.000 $ auf der ersten elektrischen Lokomotive des Unternehmens, der Rangierlok NS-999. Parallel dazu kooperieren Axion und Norfolk Southern auch weiterhin an der Entwicklung eines Energiesystems für sehr viel leistungsfähigere Langstrecken-Hybrid-Lokomotiven, die auch deutlich mehr Batterien benötigen. Im März begründen Axion und die Firma ePower Engine Systems LLC aus Florence, Kentucky, eine strategische Allianz für den Einsatz der PbC-Batterien bei Lastwagen. ePower ist auf die Nachrüstung und Umstellung von Diesel-Lkw in in Kraftstoff-sparenden Hybridantrieb-Einheiten spezialisiert. Der erste mit einem Batteriestrang aus 56 PbC-Batterien ausgestattete Peterbilt 386 Lkw absolviert bereits seine Testfahrten. Im gleichen Monat wird auch die Betriebsaufnahme eines neuen Produktionsprozesses zur endlosen ‚von-der-Rolle’-Herstellung von Kohlenstoff-Folien gemeldet. Diese waren bislang von Hand gefertigt worden. In Verbindung mit der Roboter-Produktionslinie für die negativen Elektroden ist der nun skalierbare Herstellungsprozeß vollständig automatisiert.

Im Mai werden Optionsscheine für 9 Mio. $ und Wandelanleihen von 1 Mio. $ emittiert, im Juni und Juli erhält Axion weitere Aufträge zur Lieferung von 1 + 10 Batteriesätzen für das Lkw-Nachrüstungsprojekt von ePower. Zu jeden Umbausatz gehören 56 PbC-Batterien sowie ein Batteriemanagementsystem, die Kosten pro Satz werden auf über 20.000 $ beziffert. Die bislang letzte Meldung stammt vom November 2013. Ihr zufolge gelingt es Axion, ein weiteres PowerCube-Energiespeichersystem für 320.000 $ zu verkaufen, das ebenfalls Energie aus einer Solaranlage speichern wird.


In den Jahren 2008 und 2009 macht auch kurzzeitig die schon 1994 gegründete Firma Applied Intellectual Capital (AIC) mit Sitz in Alameda, Kalifornien, von sich reden, da sich diese neben Flüssig-Batterien auch mit der Entwicklung einer kostengünstigen Bipolar-Blei-Säure-Batterie für Hybrid-Elektrofahrzeuge beschäftigt. Deren Ersteinsatz ist auf dem wachsenden chinesischen Elektro-Roller-Markt anvisiert, wo gegenwärtig schon rund 60 Mio. Roller unterwegs sind. Erste Demonstrationseinheiten sollen bereits getestet und ausgewertet worden sein. Doch obwohl die Firma davon spricht, diese Batterien für etwa 70 $ pro Stück liefern zu können (ein Lithium-Ionen-Akku mit vergleichbarer Leistung soll rund 650 $ kosten), hört man später nichts mehr darüber.


Möglicherweise ist die Technologie noch nicht ganz handhabbar, denn schon im März 2006 hatte Volvo ein Prototyp-Hybrid-System für schwere Nutzfahrzeuge (Busse und Lkw) vorgestellt, dessen Batteriesystem die bipolare Blei-Säure-Technologie von Effpower AB nutzt, einem in Göteborg ansässigen schwedischen Unternehmen, das Volvo 1999 mitgegründet hat, und an dem die Volvo Technology Transfer AB mit 45,8 % beteiligt ist. Der Rest gehört der Industrifonden AB.

Effpower-Design Grafik

Effpower-Design (Grafik)

Die bi-polar-Batterien mit 800 W/kg sollen mehr als 500.000 Zyklen erlauben und in hohen Stückzahlen zu einem Preis von etwa 10 $/kW angeboten werden. Erste Prototypen sollen im Herbst 2007 präsentiert werden. Und obwohl Fouriertransform im Februar 2010 noch 40 Mio. SEK (schwedische Kr.) in die Effpower investiert, die beabsichtigt, im Jahr 2011 mit der Serienproduktion zu beginnen, ist auch über dieses Unternehmen später nur noch zu hören, daß es im März 2012 auf Beschluß des Vorstands liquidiert wird – nachdem die Firma bereits 300 Mio. SEK verschlungen hatte und es trotzdem nicht gelungen war, die Produktion zu starten.

Es erwies sich als zu schwierig, Keramik mit ausreichend guten Eigenschaften herzustellen, da es nicht gelang, die im Labormaßstab gut funktionierende Prozeßtechnologie für Keramikplatten auf industrielles Niveau zu heben.

Ebenso scheinen die Erfolge eines noch früheren Forschungsprojektes der EU recht bescheiden gewesen zu sein, da auch dieses Projekt kaum nachhaltige Spuren hinterließ.

BILAPS (Bipolar Lead Acid Power Source for hybrid vehicles) lief im Zuge des Europäischen 5. Rahmenprogramms von 2002 bis 2005 und sollte die Verbesserung der Leistungsabgabe einer neuen bipolaren Bleisäurebatterie mit hoher spezifischer Leistung (> 500 W/kg) für Hybrid-Elektrofahrzeuge erreichen. Hierfür wurde auch tatsächlich ein spezielles Batterieverwaltungssystem entwickelt, das den Ladevorgang des Batterieprototyps optimiert. Aber sonst augenscheinlich nichts weiter.

Auch der Batterieprototyp von Centurion, der in den Publikationen der EU gezeigt wird, wirkt eher wie eine Bastelarbeit. Das BILAPS-Konsortium bestand aus den europäischen Industrieunternehmen A2E Technologies/Enertronic, PGE, CRF, IMTECH Marine & Offshore, ElringKlinger, Dyneon, SCPS und Centurion, die von der niederländischen Forschungsorganisation TNO Environment, Energy and Process Innovation koordiniert wurden.


Auch Johnson Controls, ein weltweit operierender Mischkonzern, zu dessen Hauptschwerpunkten die Batterietechnik gehört, befaßte sich zu einem früheren Zeitpunkt mit der Entwicklung bipolarer Blei-Säure-Batterien, ohne daß davon heute noch etwas zu finden ist. Die einzige aktuelle Beziehung zur Bleiakkumulator-Technik ist eine Meldung vom Januar 2011, der zufolge das Unternehmen dabei sei, für 150 Mio. $ in Florence, South Carolina, eine Blei-Säure-Batterie-Recycling-Anlage zu errichten. Johnson Controls ist immerhin einer der weltweit führenden Anbieter von Blei-Säure-Batterien für automobile Anwendungen und hatte u.a. 2001 die Autobatteriesparte von Hoppecke, sowie 2002 die Autobatteriesparte von VARTA übernommen.


Wie man moderne ventilregulierte Blei-Säure-Batterien sinnvoll dafür einsetzt, um den in Schwellenländern ohne Strom lebenden 1,3 Milliarden Menschen (andere Quellen: 2,6 Mrd.) diesen aus erneuerbare Energien zu liefern, zeigt die 2009 von Mike Lin und Brian Warshawsky in San Francisco, Kalifornien, gegründete Firma Fenix ​​International. Die meisten Mitglieder des kleinen Teams hatten zuvor zusammen bei einem Startup namens Potenco gearbeitet, wo ein Zugschnur-Ladegerät entwickelt wurde, das eigentlich für das OLPC-Projekt geplant war. Da Potenco nach einem bestimmten Punkt jedoch nicht imstande war, mehr Geld für die Weiterentwicklung zu beschaffen, hat das damalige Projekt nicht geklappt. Dies wird nun anders.

ReadySet

ReadySet

Das junge Unternehmen entwickelt ein tragbares, kleines 12 V Kompaktsystem namens ReadySet, dessen 9 Ah/54 Wh Batterie eine maximale Ladeleistung von 30 W aufweist und damit gut für Solarpaneele, Fahrrad-Generatoren, Mikro-Wind- und Mikro-Hydro-Systeme geeignet ist. Natürlich läßt sie sich auch aus dem Stromnetz aufladen. Eine intelligente Elektronik, die mit einer zum Patent angemeldeten Firmware arbeitet, schützt vor Hochtemperatur, Überlastung und Kurzschlüssen, ebenso wie sie durch die Verhinderung von Tiefentladungen die Lebensdauer der Off-Grid-Batterie auf bis zu 3 Jahre verlängert.

Der Blei-Säure-Akku ist in ein beständiges Case verbaut und mit gängigen Anschlüssen für die Versorgung von Mobiltelefonen und anderer portabler Elektronik ausgestattet. Verkauft wird die ReadySet-Batterie zusammen mit einem 15 W Solarpaneel und einer 3 W LED-Lampe für 165 $ (Stand 2013) – sowohl direkt als auch als OEM-Version an Telekom-Unternehmen wie z.B. Vodacom und MTN.

Nach einem Pilotprojekt in Afrika im November 2009 soll im Herbst 2010 die erste kommerzielle Umsetzung starten, parallel zu einer nächsten VC-Finanzierungsrunde. Einer Meldung vom Juni 2012 zufolge hat Fenix, das inzwischen insbesondere in Tansania und Uganda tätig ist, etwa 2.000 seiner Batterien, die afrikanische Telekomfirma MTN ausgeliefert, weitere Informationen gibt es bislang nicht. Zu dem Thema Solarleuchten für die 3. Welt gibt es übrigens ein eigenes Unterkapitel (s.d.).


Im Mai 2011 wird in der Presse eine neuartige Bleischaumbatterie vorgestellt, die Dr. Malchasi Aitsuradze aus Georgien, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für Maschinenbau der Bergakademie, gemeinsam mit der MTH Metalltechnik GmbH & Co KG aus Halsbrücke entwickelt hat.

Der Akku, ein kleiner metallgrauer, poröser Würfel soll der alten Bleibatterie eine neue Chance verschaffen, da es mit dem neuen Bleischaum-Verfahren gelungen ist, leitfähigere Gitter herzustellen, die dazu noch über ein geringeres Gewicht verfügen. Auch der erste Prototyp einer solchen Bleischaumbatterie ist bereits realisiert, und eigentlich will man das Verfahren für die kommerzielle Entwicklung vorbereiten, um zwei Jahre später in Serienfertigung zu gehen. Doch auch mit diesem Projekt scheint es nicht weitergegangen zu sein – und auf der Homepage der MTH ist überhaupt nichts mehr darüber zu finden.


Ein weiteres Unternehmen, das sich seit 2012 mit der Weiterentwicklung von Bleibatterien beschäftigt, ist die in Troy, Michigan, von Subhash Dhar neu gegründete Energy Power Systems (EPS). Dhar hatte bereits 1981 mit dem Erfinder Stan Ovshinsky zusammen die Firma Ovonic gegründet, war dann als stellvertretender Vorsitzender von EnerDel in die Li-Io-Entwicklung involviert und später Präsident der Ener1. Anschließend war er Vorsitzender von Envia Systems, wo fortschrittliche Batterie-Anoden- und Kathodenmaterialien entwickelt wurden. Nun kehrt er auf der Suche nach verborgenen Potentialen zur guten alten Blei-Säure-Batterie zurück. Neuigkeiten gibt es bislang aber noch nicht zu vermelden.


Im Januar 2013 berichten die Fachblogs, daß Forscher der Penn State University um Prof. Christopher Rahn eine simple und preiswerte Möglichkeit gefunden haben, um die Batterieleistung unabhängig von teurer Hardware zu verbessern. Dies gelingt ihnen durch das Umkehren der Sulfatierung, einer Verschlechterung, die aufgrund wiederholtem Entladen und Wiederaufladen erfolgt und zu einer Anhäufung von Bleisulfat führt.

Die Forscher nutzen die elektrochemische Impedanzspektroskopie, um während voller Ladungs-/Entladungszyklen die Hauptmechanismen des Alterungsprozesses in einer der sechs Batteriezellen zu identifizieren. Davon ausgehend entwickeln sie einen Lade-Algorithmus, der den Akku aufladen und die Sulfatierung reduzieren kann, dabei aber auch in der Lage ist, den Ladevorgang zu stoppen bevor andere Formen des Abbaus stattfinden. Der Algorithmus kann tote Zellen erfolgreich wiederbeleben und die Gesamtkapazität der Batterie um bis zu 30 % erhöhen. Nun arbeiten die Wissenschaftler an einem Verfahren, um die Entwicklung der Sulfatierung schon im Ansatz zu vermeiden.

Die Ergebnisse sollen auch der vollelektrischen NS 999 Lokomotive von Norfolk Southern zugute kommen, die ihre Energie aus 1.080 Stück 12 V Blei-Säure-Batterien bezieht und seit Oktober 2009 im Einsatz ist. Entwickelt wurde die Lokomotive als Joint Venture zwischen dem US Department of Energy, der Penn State University, Norfolk Southern und der Firma Brookville. Bis Anfang 2013 hat sie schon 33.600 Streckenkilometer in 22 US-Bundesstaaten hinter sich. Ich habe darüber bereits im Kapitel Elektrozüge bis PRT-Systeme berichtet (s.d.).

Ein weiterer Newcomer auf dem Bleibatterie-Markt ist die im Jahr 2010 von Peter Borden und Michele Klein in San Jose, Kalifornien, gegründete Gridtential Energy Inc., die teilweise durch einen Zuschuß aus dem Energy Innovations Small Grant Program der California Energy Commission finanziert werden.

Gridtential Batteriedesign Grafik

Gridtential Batteriedesign
(Grafik)

Das Unternehmen hat bereits interne Prototypen eines fortgeschrittenen Batterie-Designs entwickelt und getestet, das gegenüber aktuellen Produkten erhebliche Kosten- und Leistungsvorteile hat. Die Batterien haben die doppelte Energiedichte und sollen 50 - 90 % weniger kosten als vergleichbare Konkurrenten.

Kern der Innovationen ist der Einsatz moderner Fertigungsprozesse der Halbleiter- und Festplattenlaufwerk-Industrie. Während die Bleiplatten traditioneller Blei-Säure-Batterien mit dem aktiven Batteriematerial belegt oder bedruckt werden, was diese Schichten so empfindlich macht, daß sie sich mit der Zeit von der Platte loslösen können, erlauben die Fertigungstechniken der IT-Branche dagegen, dünne Schichten des aktiven Materials zu schaffen und sie auf die Platten zu kleben. Dieses Herstellungsverfahren macht die Batterie langlebiger und leichter. Die viel dünnere aktive Schicht bedeutet auch, daß die Batterie mit einem höheren Wirkungsgrad ge- und entladen werden kann, womit sie auch weniger Energie in Form von Wärme verliert.

Im März 2013 gelingt es Gridtential, in einer vom Investor The Roda Group angeführten Finanzierungsrunde Startmittel in Höhe von gut 1 Mio. $ zu bekommen, die nun verwendet werden sollen, um innerhalb der nächsten Jahre Demonstration Einheiten in voller Größe für Feldversuche zu entwickeln. Kommerzielle Implementierungen sind nicht vor dem Jahr 2016 zu erwarten. Dieses Unternehmen beziffert den Markt für Blei-Säure-Batterien im Jahr 2010 übrigens auf 30 Mrd. $.


Wie sehr der Markt in Bewegung ist, soll abschließend das Beispiel der bereits im Jahre 1888 durch Thomas Alva Edison persönlich gegründeten Firma Exide Technologies mit Sitz in Milton, Georgia, zeigen, die inzwischen mit einem Jahresumsatz von 2,9 Mrd. $ (2010) zu den weltweit größten Herstellern und Recyclern von Bleiakkumulatoren zählt. Im Jahr 2009 beginnt die Firma eine Zusammenarbeit mit der o.g. Axion.

Nachdem das Unternehmen aufgrund der im Jahr 2000 erfolgten Übernahme des Autobatterie-Herstellers GNB Technologies und einer angehäuften Schuldenlast von 2,5 Mrd. $ bereits 2002 Konkurs angemeldet hatte, gelang es 2004, einen Anteil von 1,3 Mrd. $ der Schulden abzuschreiben. Im Juni 2013 meldet Exide ein weiteres Mal Konkurs an, diesmal mit dem Ziel einen weiteren Schuldenabbau und einen Umstrukturierungsplan zu realisieren, um auf dem Markt weiterhin besser konkurrieren zu können. Ein etwas seltsamen Geschäftsgebaren angesichts der Tatsache, daß die Firma gleichzeitig einen Jahresumsatz von mehr als 3 Mrd. $ ausweist (2012).


Blei-Vlies-Batterie


Blei-Vlies-Akkus
sind leistungsfähige Bleiakkus, bei denen ein Glasfaservlies mit dem Elektrolyt Schwefelsäure gesättigt ist. Dadurch hat ein Blei-Vlies-Akku (Absorbent Glass Mat, AGM) keine freie Schwefelsäure und kann in allen Lagen betrieben werden. Ein Auslaufen der Säure ist auch dann nicht möglich, wenn der AGM-Akku zerbricht.

AGM-Akkus haben einen äußerst geringen Innenwiderstand und können dadurch kurzzeitig höhere Entladeströme liefern, beispielsweise beim Start eines Motors. Bedingt durch den geringen Innenwiderstand erhitzt sich der Akku auch nicht bei hohen Entladeströmen. Er ist tiefentladungsfähig und hat auch bei tiefen Temperaturen gute Kapazitätswerte. AGM-Akkus sind äußerst robust und wartungsarm und können mehrere hundert Mal aufgeladen und entladen werden. Ihre Selbstentladung liegt für gewöhnlich unter 3 % pro Monat.

AGM-Akkus gehören wie die Blei-Gel-Batterie zu den VRLA-Akkus (Valve Regulated Lead Acid) und werden daher auch als VRLA-AGM bezeichnet (s.d.).


Dünnschicht-Batterie


Diese Batterien sind eigentlich den Lithium-Ionen-Batterien zuzuordnen und von dort aus auch hierher verlinkt. Aufgrund ihrer Aktualität will ich aber vermeiden, daß sie in der dortigen Überfülle untergehen, und liste sie deshalb hier separat auf. Außerdem werden Technologien beschrieben, die sich z.B. auch für Nickel-Metallhydrid-Akkus einsetzen lassen, die ja ebenfalls eigenständig präsentiert werden.


Die ersten Dünnschichtbatterien sind in den späten 1990er Jahren in den Oak Ridge National Laboratories (ORNL) entwickelt worden. Ein wichtiger Vorteil der relativ neuen Technologie, die auch unter dem Namen Mikroenergiezelle (MEC) bekannt wird, ist ihre Festkörperform, die einen sicheren und umweltfreundlichen Betrieb gewährleistet, da keine Elektrolyte aus der Zelle austreten und andere Bauteile auf der Leiterplatte angreifen können, was für eine außerordentlich lange Lebenszeit von oft mehr als 20.000 Ladezyklen sorgt. Die Gestehungskosten der MECs sind allerdings höher als bei konventionellen Energiespeichern.

Die ORNL vergeben Lizenzen für die grundlegende Technologie der Festkörper-MECs an mehrere Hersteller (s.u.), von denen die meisten Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) für die Kathode und Lithium oder ein anderes Metall als Anode verwenden. Als Festkörper-Elektrolyt wird häufig Lithium-Phosphor-Oxidnitrid (LiPON) genutzt.


Basierend auf einer Lizenz der ORNL präsentiert die Firma Front Edge Technology Inc. (FET) aus Baldwin, Kalifornien, im Mai 2005 die bislang weltweit dünnste Batterie mit einer Dicke von 0,05 mm.

Die Folienbatterie hält mehr als 1.000 Ladezyklen durch, wobei eine Fläche von 42 x 25 mm beachtliche 0,5 mAh erreicht werden. Die Batterie kann in 2 Minuten auf 70 % der Nennkapazität aufgeladen werden, und die Selbstentladung beträgt weniger als 5 % pro Jahr (andere Quellen: < 15 %). Sensationell ist auch die starke Biegsamkeit in Verbindung mit dieser recht hohen Kapazität. Da die Batterien nicht giftig sind, bieten sie ein erhebliches Potential für die Integration in implantierbare medizinische Geräte wie Insulinpumpen und Herzschrittmacher. Ebenso macht sie die geringe Dicke ideal in Bereichen wie RFID (Radio Frequency Identification Tags) und Chipkarten.

Front Edge Schichtung

Front Edge Schichtung

Das 1994 gegründete Familienunternehmen FET läßt sich die Verwendung von Glimmer (Muskovit, ein Schichtsilikat) für die Herstellung von Batterien patentieren, die dünner als ein Blatt Papier sind und ihre Flexibilität, verbesserte Leistungsdichte und verkürzte Wiederaufladezeit einer nanoskaligen Technik verdanken. Nun wird an der Entwicklung einer Produktionslinie zur Herstellung von 200.000 NanoEnergy-Batterien pro Jahr gearbeitet, sowie mit der STMicroelectronics ein Handelsabkommen geschlossen, um neue Märkte für diese Technologie zu erschließen.

Im Rahmen einer SAFECELL-Linie sollen zwei Batteriegrößen angeboten werden: 20 x 25 mm, mit einer Dicke von 0,1 mm (Kapazität 0,1 mAh) bis 0,3 mm (Kapazität von 1 mAh) – sowie 42 x 25 mm, mit einer Dicke von 0,1 mm (Kapazität 0,5 mAh) bis 0,4 mm (Kapazität von 5 mAh).

Im Mai 2009 wird gemeldet, saß FET tatsächlich seit drei Jahren Batterien in begrenzter Stückzahl produziert, bei denen ein keramischer Festkörper-Elektrolyten aus Lithiumphosphor Oxynitrid (LiPON) zum Einsatz kommt, der von den Oak Ridge National Laboratories entwickelt wurde und dem Akku nicht nur seine Flexibilität gibt, sondern auch die Speicherkapazität erhöht. Überraschenderweise sind diese Informationen zwar alle noch am Netz – ohne daß es jedoch irgendwo eine aktuellere Erwähnung oder Meldung über weitere Schritte gäbe. Selbst der Stand auf der Homepage der FET scheint seit damals eingefroren.


Ein weiteres Mikroenergiezellen-Unternehmen, das mit einer ORNL-Lizenz arbeitet, ist die 2001 gegründete Firma Infinite Power Solutions Inc. (IPS) mit Stammsitz in Littleton, Colorado, die im Oktober 2008 eine Dünnschichtbatterie mit dem treffenden Namen Thinergy MEC (Micro-Energy Cell) auf den Markt bringt, welche geeignet ist, die Leistungslücke zwischen Batterien und Superkondensatoren zu überbrücken.

Bereits 2003 konnte IPS Startkapital in Höhe von 5 Mio. $ von Dow Corning und UniSource Energy in Empfang nehmen, und im August 2006 bringt eine Finanzierungsrunde A dem Unternehmen weitere 35,7 Mio. $ von Invesoren wie Core Capital Partners, Applied Ventures LLC, Polaris Venture Partners, SpringWorks LLC, D.E. Shaw, Advanced Energy Technology, Dow Corning und Symmorphix Inc. Damit kann das Unternehmen die in einer Vorstadt von Denver, Colorado, die weltweit erste Großserien-Produktionsstätte für Dünnschicht-MECs hochziehen.

Ebenfalls im Oktober 2008 schließt IPS ein strategisches Kooperationsabkommen mit Lockheed Martin ab, um die neue Mikroenergiezelle in Systemen und Lösungen einzusetzen, die von Lockheed Martin für militärische und zivile Anwendungen entwickelt werden. Im Dezember beginnt IPS mit der Auslieferung ihrer ersten Produkte. Außerdem gibt das Unternehmen bekannt, daß es sein Kapital in einer neuen Finanzierungsrunde B um weitere 13 Mio. $ anheben konnte. Neben den bisherigen Finanzpartnern Polaris und D.E. Shaw gehören zu den neuen Geldgebern die In-Q-Tel (der Venture-Arm der CIA) sowie ein ungenannter strategischer Investor.

Thinergy MEC

Thinergy MEC

Die Thinergy MEC Dünnschicht-Batterien können im Temperaturbereich von - 40ºC bis + 85ºC betrieben werden und weisen eine extrem geringe Selbstentladungsrate von weniger als 1 % pro Jahr auf, einen geringen Zellwiderstand und eine hohe Leistung. Zum Laden werden nur 4,1 V benötigt, bei ein paar hundert Nanoampere Strom. Abhängig von dem Ladestrom kann eine MEC in ein paar Sekunden oder im Verlauf von 10 Minuten aufgeladen werden.

Die MECs werden hauptsächlich für kleine Kameras, Temperatursensoren und andere Geräte entwickelt, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind, ihren Strom aber selbst ernten können – aus dem Sonnenlicht, aus Vibrationen, Unterschieden in der Umgebungstemperatur, Radiowellen u.ä.m. (siehe dazu Micro Energy Harvesting). IPS zufolge lassen sich die Akkus mehr als 60.000 mal aufladen und stellen die gegenwärtig leistungsstärksten Batterien ihrer Größe dar, da sie die Energiedichte traditioneller Batterien mit dem hohen Entladestrom von Superkondensatoren kombinieren. Angeboten werden zu diesem Zeitpunkt zwei Modelle der Thinergy MEC Dünnschicht-Batterien: MEC120 (25,4 x 12,7 mm / 0,17 mm dick / 0,4 mAh) sowie MEC101 (25,4 x 25,4 mm / 0,17 mm dick / 1,0 mAh). Zwei weitere Modelle sollen dann ab dem vierten Quartal 2009 verfügbar sein: MEC125 (12,7 x 12,7 mm / 0,17 mm dick / 0,2 mAh) und MEC102 (25,4 x 50,8 mm / 0,17 mm dick / 2,5 mAh).

Im August 2010 meldet das Unternehmen, in einer weiteren Finanzierungsrunde C von den bisherigen sowie neuen Investoren 20 Mio. $ bekommen zu haben. Unter den erstmaligen Finanziers sind die Generation Investment Management und zwei weitere, ungenannte strategische Investoren. Das neue Kapital soll genutzt werden um die Produktionskapazität zu erweitern, den Aufbau von globalen Vertriebskanälen zu beschleunigen und die weitere Forschung und Entwicklung zu finanzieren.

Leider ist auch die Homepage dieses Unternehmens äußerst zurückhaltend – vorsichtig ausgedrückt –, und seit 2010 scheint auch kein Update mehr erfolgt zu sein.


Die dritte Firma, deren Arbeit auf einer ORNL-Lizenz basiert, ist die im Jahr 2007 als Ausgründung des National Renewable Energy Laboratory (NREL) von M. Scott Faris geschaffene Planar Energy Devices Corp. in Orlando, Florida. Im Gegensatz zu den beiden vorstehenden Unternehmen hat Planar aber auch die exklusive Lizenz, eine am NREL entwickelte Technologie zu verwenden, für die der Begriff ‚vergrabene Anode’ geprägt wurde, und die in erster Linie dazu dient, die Herstellungs- und Verpackungsverfahren von Festkörper-Dünnschicht-Batterien zu verbessern. Roland Pitts, ein leitender Forscher, der beim NREL an dieser Technologie arbeitete, steigt bei Planar ein, um die beiden Technologien miteinander zu vernetzen. Gearbeitet wird nun an Dünnschicht- und Großformat-Batterien, die der Firma zufolge in Sekunden aufgeladen werden können, eine hohe Energiedichte haben, 400 bis 500 Lebenszyklen erreichen und auch sicherer sind als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.

Die Firma erhält einen 50.000 $ Zuschuß des Florida High Tech Corridor Council für ein gemeinsames Forschungsprojekt mit der University of Central Florida. Battelle Ventures und Innovation Valley Partners investieren in der Finanzierungsrunde A 1,3 Mio. $ in die Dünnschicht-Batterie-Technologie des Unternehmens – sowie weitere 2,7 Mio. $, sobald Planar bestimmte Meilensteine erreicht. Die Firma plant ein Standard-Herstellungsverfahren zu nutzen, um die Kosten niedrig zu halten und schnell hohe Ausstoßmengen zu erreichen. Angedacht sind drei Arten von Anwendungen: PowerPlane, eine Mikro-Batterie-Anwendung, PowerCore, die mittlerer Größe ist, und PowerBlade, eine große Batterie-Anwendungen. Das Unternehmen hofft, daß seine ersten Produkte – militärische Anwendungen und Smart-Card-Technologie – schon Jahr 2009 Umsatz bringen und ab 2010 in Serienproduktion gehen können.

Im Jahr 2008 stellt Planar eine neue Beschichtungstechnologie namens SPEED vor (Streaming Protocol for Electroless Electrochemical Deposition), ein Hochgeschwindigkeits-, Roll-to-Roll-Abscheidungsverfahren für großformatige Hochleistungs-Keramik-Batterien. Entwickelt wurde dieses von Dr. Isaiah Oladeji, einem Halbleitermaterialforscher, der früher bei den Bell Labs war, und jetzt leitender Wissenschaftler der Planar ist. Die wesentlich flexiblere und besser skalierbare Technologie als die bisherigen Methoden erlaubt es, selbstorganisierte, nanostrukturierte Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien mit überlegenen chemischen Eigenschaften zu machen und Produktionsbarrieren bei der Herstellung von Low-Cost-Festkörperbatterien zu überwinden. Mit dem SPEED-Verfahren werden die Festkörperelektrolyt-Materialien als dünne Filme direkt auf die aktiven Schichten der Batterie aufgebracht. Diese direkte Filmabscheidung ermöglicht es, ganze Stapel von Filmen übereinander zu schichten. Damit entfällt die bisherige, aufwendige Methode, die Filme auf verschiedenen Substraten abzuscheiden und diese dann mechanisch miteinander zu verbinden, ebenso wie die Notwendigkeit einer kostspieligen und zeitraubenden Vakuumabscheidung, wie sie bei anorganischen Filmen üblicherweise erforderlich ist.

Im Oktober 2008 legt Faris die nächsten (großen) Schritte fest: Im ersten Quartal 2009 soll eine Finanzierungsrunde B 12 Mio. $ einbringen, weitere rund 20 Mio. $ dann in einer Runde C im vierten Quartal 2010.

Im Mai 2009 beteiligt sich Planar mit einer Finanzierungsanfrage nach 56 Mio. $ in Form von Zuschüssen an dem großen Run auf die 2 Mrd. $ des neuen Konjunkturpakets des US-Energieministeriums für die Hersteller von Batterien für Plug-in-Fahrzeuge. Insgesamt will das Unternehmen 120 Mio. $ investieren, um die Fertigung in seiner Gainesville-Anlage hochzufahren und ein Zentrum für die Entwicklung von Festkörper-Batterien für sowohl Hybrid- und Plug-in-Fahrzeuge als auch für militärische Anwendungen zu gründen. Aus diesen hochfliegenden Plänen wird zwar nichts, dafür darf sich Planar im Juli über einen R&D 100 Award freuen, der dem Unternehmen für seine ‚Thin-Film Lithium Rechargeable Microbattery’ verliehen wird.

Forscher der University of Central Florida bestätigen im März 2010, daß die neue Generation von Festkörper-Elektrolyten des Unternehmens eine ionische Leitfähigkeit aufweisen, die vergleichbar ist mit der von flüssigen Elektrolyten in traditionellen chemischen Batterien. Planar zufolge soll dies den Herstellern von Feststoffbatterien ermöglichen, ihre Produktionskapazitäten um 200 – 300 % ansteigen zu lassen, und dies bei einer gleichzeitigen Kostenreduzierung um 50 – 75 %. Im April erhält das Unternehmen eine Förderung in Höhe von (seltsam krummen) 4.025.373 $ als Teil der ARPA-E-Initiative des US-Energieministeriums, um transformative Energieforschungsprojekte zu beschleunigen. Im Juli wird der Produktionsbeginn in kleinen Mengen für 2011 versprochen, wobei die ersten Batterien auf einer Lithium-Mangan-Chemie basieren sollen.

Doch auch diese Firma hat seit 2010 nicht Neues mehr gemeldet ... man könnte dahinter bald eine Verschwörung vermuten.


Werfen wird daher lieber den Blick auf die vierte Firma, die sich eine ORNL-Lizenz besorgt hat (und trotzdem noch am Leben ist). Dabei handelt es sich um die im Jahr 2000 gegründete und in Privatbesitz befindliche Cymbet Corp. mit Stammsitz in Elk River, Minnesota, und Herstellungsanlagen in Elk River und Lubbock, Texas. Die Investoren der ersten Finanzierungsrunde A in Höhe von 4,5 Mio. $ sind Island Shore Investments, Texas Instruments, Perseus LLC, Ignite Group, Cedar Point Capital, The Millennium Materials Technologies Funds und die Helmet Business Mentors Oy (Helmet Capital).

Meldungen aus den ersten Jahren scheint es nicht zu geben, und erst im Dezember 2004 wird in der Fachpresse berichtet, daß Cymbet erfolgreich eine Finanzierungsrunde B abgeschlossen und dabei für die Weiterentwicklung und Vermarktung ihrer Dünnschicht-Festkörper-Energiespeicher 16,5 Mio. $ eingenommen hat. Angeführt von der Ignite Group und Bekaert N.V. können als neue Investoren Dow Venture Capital, Intel Capital und Miller Johnson Steichen Kinnard (MJSK) gewonnen werden. Auch danach ist lange Zeit nicht Neues zu vernehmen, doch nachdem die Firma im September 2007 ihre Batterie-Fertigungslinie starten und bereits im Dezember die kommerzielle Verfügbarkeit ihrer Familie von Solid-State-Dünnschicht-Batterien unter dem Label EnerChip bekannt geben kann, deren ersten Produkte in Kapazitäten von 12, 50 und 85 µAh verfügbar sind, scheint sie auch jemanden für die Pressearbeit eingestellt zu haben. Nun erfährt man, daß die als oberflächenmontierte Bauelemente gestalteten neuen Batterien eine schnelle Ladezeit bieten (80 % in weniger als 30 Minuten), mehr als 5.000 Lade/Entlade-Zyklen überstehen sollen, und nicht an Selbstentladungs- oder Haltbarkeits-Einschränkungen leiden, wie Superkondensatoren bzw. chemische Batterien. Die Produktion erfolgt gemäß einem zum Patent angemeldeten Niedrigtemperatur-Herstellungsprozeß (POWER-FAB).

Im Oktober 2008 gibt Cymbet die Einführung von EnerChip-Dünnschicht-Batterien mit integriertem Batteriemanagement bekannt, und im November erhält die Firma den Tekne Award for Advanced Manufacturing.

Die Texas Instruments Inc. stellt im Januar 2009 eine alternative Energiequelle in Kreditkartenformat für drahtlose Netzwerksysteme vor, die unter dem Namen Solar Energy Harvesting (SEH) Development Kit das Umgebungslicht nutzt und neben einem Mikrocontroller, einem Transceiver und einem Entwicklungstool auch eine EnerChip-Dünnschicht-Batterie von Cymbet enthält. Ein weiteres Modell versorgt sich mit Energie aus eingefangenen Radiowellen. Im März wird eine Kooperation mit Konarka Technologies gestartet, um die Kompetenzen in den Bereichen Erfassung, Umwandlung und Speicherung von Solarenergie zu bündeln, und im Mai wird mit dem Elektronikbauteile-Distributor Digi-Key Corp. eine Vertriebsvereinbarung für die weltweite Verbreitung der EnerChips getroffen. Eine gleichlautende Vereinbarung folgt im Juni mit der Firma Mouser Electronics Inc. (?). Im gleichen Monat stellt das Unternehmen auf der Sensors Expo 2009 in Chicago acht verschiedene EnerChip-Funksensor-Konfigurationen vor, die aus den unterschiedlichsten Quellen Energie aufnehmen können: Vibration und mechanische Energie (basierend auf einem piezoelektrischen Wandler), HF-Induktionsfelder, Radiowellen, Wärme (basierend auf einem thermoelektrischen Generator), Wind und Solarenergie (basierend auf verschiedenen Solarzellentypen). Deshalb sei hier noch einmal auf das Kapitel Micro Energy Harvesting verwiesen, in dem alle diese Techniken ausführlich behandelt werden.

Im Januar 2010 gibt es wieder einmal Geld. Diesmal kommen in einer Finanzierungsrunde C sogar 31 Mio. $ zusammen, angeführt von Perseus L.L.C. und Intel Capital. Neben den bisherigen Investoren ist Texas Instruments neu mit dabei. Im Juni kommt ein weiteres EnerChip-Modell auf den Markt, und im Dezember wird eine Vereinbarung mit der X-FAB Texas Inc. bekanntgegeben, der zufolge zur Erweiterung der Fertigungskapazitäten in Lubbock, Texas, eine Produktionsstätte für Solid-State-Batterien (SSB) eröffnet werden soll, welche die weltweit höchste Produktionskapazität haben wird. Die neue Cymbet-Anlage soll innerhalb des X-FAB-Werkes integriert werden.

Im Jahr 2011 wird nur im Juni eine paneuropäische Vertriebsvereinbarung mit der deutschen Firma Avnet Abacus bekanntgegeben, während eine ähnliche Abmachung im Januar 2012 mit der Avnet Electronics Marketing Asia für den asiatischen Markt getroffen wird. Im Mai folgt eine Kooperation mit der Firma Micross Components, im Juni mit der Global Electronics Corp., und im Oktober kann Cymbet den Produktionsstart der neuen Fertigungsanlage in Lubbock bekanntgeben. Irgendwelche Quantitäten oder sonstigen Zahlen werden nicht genannt.

Weitere 20 Mio. $ Investitionsmittel erhält Cymbet im April 2013 von Insel Shore Investments, und im Mai veröffentlicht das Unternehmen die Ergebnisse einer Studie, welche die Biokompatibilität der EnerChips belegt. Entsprechende Testmethoden hatten schon im Juli des Vorjahres eine 100 %-ige Nicht-Zytotoxizität nachgewiesen. Ab Juli werden dann mehrere Vertriebsverträge mit verschiedenen Unternehmen für einzelne US-Bundesstaaten sowie weitere für zusätzliche Umsatzgebiete im asiatischen Raum abgeschlossen, so daß die Produkte ab Dezember nun auch auf dem chinesischen Markt erhältlich sind. In diesem Monat wird mit der deutschen Firma Atlantik Elektronik GmbH ein Distributionsvertrag für den europäischen und türkischen Markt abgeschlossen. Cymbet ist damit eindeutig der Branchenführer im Bereich der Dünnschicht-Batterietechnologie.


Neben den industriellen Anbietern befassen sich insbesondere verschiedene Universitäten damit, dreidimensionale Dünnfilme zu entwickeln. Ein Team um Prof. Paul V. Braun an der University of Illinois berichtet im März 2011 von der Entwicklung eines Nanoschwamms aus Metall, der mittels seiner riesigen inneren Oberfläche Lithium-Ionen mit beeindruckender Geschwindigkeit aufnehmen kann. Die Poren dieses Schwammes, die mit einer dünnen Lage Elektrodenmaterial überzogen werden, sind hundertmal feiner als die Breite eines menschlichen Haares.

3D Nanoschwamm-Batterie

3D Nanoschwamm-Batterie

Der Schlüssel zu der neuartigen 3D-Struktur ist die Selbstorganisation. Hergestellt wird die ‚Hochleistungs-Lithium-Ionen-Mikrobatterien aus ineinandergreifenden dreidimensionalen bikontinuierlich nanoporösen Elektroden’, wie sie von den Wissenschaftlern bezeichnet werden, indem ein Volumen als erstes mit winzigen Styroporkügelchen gefüllt wird, die sich automatisch zu einem dicht gepacktem Gitter strukturieren. Anschließend wird das Gitter per Elektrolyse mit Nickel aufgefüllt und die Kügelchen dann aufgelöst oder weggeschmolzen, so daß ein poröses, schwammartiges Nickelgerüst entsteht. Nun werden die Hohlräume durch sogenanntes Elektropolieren vergrößert und das Gitternetz abschließend mit elektrolytisch aktivem Material beschichtet.

Das Team demonstriert Batterieelektroden, die in wenigen Sekunden, und damit 10 bis 100 mal schneller als vergleichbare Elektroden, aufgeladen oder entladen werden können und sich auch bei bestehenden Batterien einsetzen lassen. Das System bietet dadurch Kondensator-ähnliche Leistungen – verbunden mit Batterie-ähnlichem Energiegehalt. Es gelingt den Forschern, im Labor einen Prototyp von der Größe einer Taschenrechnerbatterie in nur zehn Sekunden aufzuladen. Nun hofft man, mit dieser Technologie ein Handy innerhalb von 30 Sekunden, einen Laptop in zwei Minuten und die Batterie eines Elektroautos in vielleicht fünf Minuten aufladen zu können. Da der Herstellungsprozeß jedoch komplizierter ist als die gängigen Verfahren, und das Team auch noch nach der günstigsten Fertigungsmethode sucht, sind die ersten Produkte frühestens in drei Jahren zu erwarten. Gefördert wird die Arbeit vom US-Energieministerium und von der Forschungsabteilung der US-Streitkräfte.


In Deutschland wird die Entwicklung von 3D-Dünnschichtbatterien hauptsächlich von einem Team um Prof. Wolfram Jaegermann an der TU Darmstadt vorangetrieben. Die Universität kooperiert bei diesen Entwicklungen mit der Robert Bosch GmbH in Reutlingen, die bereits 2010 eine Patent unter dem Titel ,Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Dünnschichtbatterie’ beantragt hatte (DE-Nr. 102010029282, erteilt 2011). Bei diesem Patent geht es aber noch eher traditionell zu, denn es beschreibt die Methode, eines „aus mehreren ersten Elektrodenschichten, mehreren Batterieschichten und mehreren zweiten Elektrodenschichten bestehende Dünnschichtbatterie herzustellen“.

Im November 2011 startet mit einer Laufzeit von drei Jahren ein Projekt zur Entwicklung neuer Anwendungen im Bereich der Fußgängernavigation und der Orthopädietechnik, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 6 Mio. € gefördert wird. Es läuft unter dem Bandwurmnamen ‚Verbundprojekt: Autonomous Nine Degrees of Freedom Sensor Module (9D-Sense) - Teilvorhaben: MEMS-Schlüsselprozeß zur On-Chip-Integration von Sensorkomponenten sowie zur Herstellung von 3D-Dünnschichtbatterien’.

Das anvisierte Modul soll aus einem Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetsensor mit jeweils drei Detektionsrichtungen (daher 9 Freiheitsgrade), einer Energieversorgungseinheit mit Dünnschichtbatterie und Energieerzeuger sowie einer sicheren drahtlosen Datenübertragung bestehen. Durch Auswertung des Erdmagnetfeldes und der Bewegungsmuster soll eine präzise Positions- und Orientierungsbestimmung erfolgen, auch wenn z.B. innerhalb von Gebäuden GPS- oder Galileo-Signale nicht verfügbar sind. Bei der Entwicklung einer entsprechenden Dünnschichtbatterie arbeiten die TU Darmstadt und die Robert Bosch GmbH mit der Universität Helsinki (Finnland) und Air Liquide (Frankreich) zusammen.

Bereits auf dem Kongreß MikroSystemTechnik Ende 2011 in Darmstadt wird über die Strukturierung von Siliziumsubstraten für integrierte 3D-Dünnschichtbatterien berichtet und nachgewiesen, daß 3D-Batterien höhere Ströme als konventionelle Systeme bereit stellen können und damit zu einer Steigerung der Leistungsdichte führen. Auch die Dissertation von Laura Bohne im Jahr 2012 beschäftigt sich mit diesem Thema: ‚Integrierte 3D-Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien: Dünnschichtkathoden auf strukturierten Substraten und elektrochemische Eigenschaften’.


Ein weiteres Team um Prof. Guido Schmitz an der Universität Münster beschäftigt sich 2012 mit Dünnschichtbatterien, deren gesamte elektrochemisch-aktiven Komponenten mit Hilfe einer speziellen Präparationstechnik namens Ionenstrahl-Sputterverfahren in Form ultradünner Schichten hergestellt werden. Als Elektrodenmaterialien kommen dabei u.a. Al-Li Legierungen, Graphit, Li-Kobalt-Oxid oder Li-Vanadium-Oxid zum Einsatz, während für die ionenleitenden Schichten vorwiegend lithiumhaltige, anorganische Netzwerkgläser verwendet werden. Mit Hilfe einer speziellen Spektroskopiemethode wollen die Forscher die Verteilung der einzelnen chemischen Elemente innerhalb der Batteriezelle mit atomarer Auflösung analysieren, um damit die Mechanismen der Degradation an den Elektroden aufzudecken.


Durchfluß-Batterien und Ionische Flüssigkeiten


Die Duchfluß-Batterie wird von dem französische Hauptmann Charles Renard erfunden, der sich nach Beendigung des Deutsch-Französischen Krieges 1870/71 mit der Entwicklung von Luftschiffen befaßt, und der – nachdem er ein Modell präsentiert hatte – aus der Staatskasse 200.000 Franc erhält. Mit diesem Geld baut er zusammen mit seinem Bruder Paul und dem äußerst innovativen und ebenfalls französischen Hauptmann Arthur H. C. Krebs das Luftschiff La France, ein Elektroluftschiff mit Akkubetrieb, mit dessen Aufstieg am 9. August 1884 in Chalais Meudon ihm der Nachweis gelingt, daß der Bau und Betrieb eines lenkbaren Luftschiffes möglich ist.

Das Luftschiff absolviert in 23 Minuten und in einer Höhe von bis zu 300 m einen 7,6 km langen Flug, und landet dann wieder an seinem Startplatz. Damit ist dies das erste Mal, daß eine Flugmaschine an den Ort ihres Abflugs zurückkehrt – und die erste Rundfahrt auf dem Luftweg in der Geschichte. Auf insgesamt sieben Flügen zwischen 1884 und 1885 gelingt der La France fünf Mal die Rückkehr zum Startpunkt, wobei unterwegs eine Höchstgeschwindigkeit von 22,32 km/h erreicht wird. 1889 wird das Luftschiff auf der Pariser Weltausstellung präsentiert.

Für uns besonders interessant ist, daß der von einem 6,25 kW Elektromotor angetrieben Propeller des Luftschiffs von einer 435 kg schweren Flow-Batterie gespeist wird, die als reaktive Elemente Zink und Chlor verwendet. Hierfür hatte Renard eigens einen Chlor-Generator mit an Bord. Es ist kaum nachvollziehbar, wie diese Innovation anschließend fast 100 Jahre lang so in Vergessenheit geraten konnte (s.u. Zink-Chlor-Batterie).


Eine Durchflußbatterie (auch Flow-Batterie, Flüssigbatterie oder Naßzelle) ist ein wiederaufladbarer Akkumulator, der die elektrische Energie in chemischen Verbindungen speichert, deren Reaktionspartner aus geladenen Metallen in Elektrolyten aufgelöst sind. Dabei zirkulieren zwei energiespeichernde Elektrolyte in zwei getrennten Kreisläufen, während der Ionenaustausch in der Zelle mittels einer Membran erfolgt, die sich zwischen den beiden Kreisläufen befindet. Kurz gesagt, wird also eine Lösung durch eine Membran gepumpt, um chemische Energie in Strom umzuwandeln – weshalb dieser Batterietyp auch oftmals den Brennstoffzellen zugerechnet wird.

Der in meinen Augen interessanteste Aspekt von Durchflußbatterien ist, daß sie durch den Austausch der Elektrolyt-Flüssigkeit sehr schnell wieder ‚aufgeladen’ werden können, und dies bei gleichzeitiger Rückgewinnung des verbrauchten Materials zum externen Laden. Man kann sich daher gut vorstellen, daß ein solcher Austausch, bei dem neu aufgeladene Elektrolytflüssigkeit in die Batterie hineingepumpt wird, nicht länger dauern muß als das Betanken heutiger Kraftfahrzeuge mit konventionellen Brennstoffen.

Zu den bekanntesten Flüssigbatterien zählen die Redox-Flußbatterie (o. Redox-Flow-Zelle), sowie die Vanadium-Redox-Batterie, die beide in eigenen Unterkapiteln behandelt werden. Ebenfalls in einem eigenen Unterkapitel präsentiert wird die Magnesium-Antimon-Flüssigmetallbatterie, bei der allerdings keine Membran zum Einsatz kommt, dafür aber eine Betriebstemperatur von 700°C, bei welcher die Metalle als Schmelzen vorliegen (s.u.).


Dieser Rubrik zuordnen läßt sich auch das Forschungsgebiet der Ionischen Flüssigkeiten, für welches beispielsweise Stefano Passerini von der Universität Münster Ende 2009 im Rahmen des EU-weiten Forschungsprojekts ORION (Geordnete anorganisch-organische Hybridstrukturen mit Ionischen Flüssigkeiten für neue Anwendungen) eine über drei Jahre laufende Förderung der Europäischen Kommission in Höhe von 600.000 € erhält.

Bei ionischen Flüssigkeiten (Ionic Liquids, häufig auch als Room Temperature Ionic Liquids RTIL bezeichnet) handelt es sich um flüssige Salze, die bei Temperaturen unter 100°C flüssig sind, ohne daß das Salz dabei in einem Lösungsmittel wie Wasser gelöst ist. Wegen ihrer vielversprechenden Eigenschaften, wie fast kein Dampfdruck, Nichtbrennbarkeit und das Fehlen der Reaktivität bei verschiedenen elektrochemischen oder industriellen Anwendungen, werden diese Substanzen zunehmend interessant für ihre Anwendung in Hochenergie-Batterien und in Hochleistungs-Kondensatoren. Diese Flüssigkeiten besitzen nämlich das Potential, anorganische Partikel auch in organischer Umgebung zu ordnen. Dies ist deshalb von großer Bedeutung, weil in Batteriesystemen mehr Ordnung auch mehr Leistung verspricht.

Passerini erwartet, daß die Ergebnisse des multidisziplinären und europaweiten Forschungsprojektes auch Einfluß auf die Weiterentwicklung von Solarzellen haben wird, beispielsweise bei ihrem Einsatz als Elektrolyt in Farbstoffsolarzellen.

Ebenfalls Ende 2009 wählt das Department of Energy (DOE) im Zuge von ARPA-E insgesamt 37 Energieforschungsprojekte aus, die zusammen mit 151 Mio. $ gefördert werden, darunter auch 6 Projekte im Bereich der Energiespeicherung. An der Entwicklung von nachhaltigen, hochenergiedichten, elektrochemischen Low-Cost Energiespeichern arbeitet insbesondere die Arizona State University in Partnerschaft mit der Firma Fluidic Energy Inc. Als Ziel sollen neue Metall-Luft-Batterien mit ionischen Flüssigkeiten (Metal-Air Ionic Liquid, MAIL) eine 6 - 20 mal höhere Energiedichte erreichen, als die derzeit verfügbaren Li-Io-Batterien, und dies bei weniger als 1/3 der Kosten. Das Kooperationsprojekt wird mit gut 5 Mio. $ gefördert. Mehr dazu unter Zink-Luft-Batterie (s.d.).


Im April 2011 berichtet die Fachpressen darüber, daß Wissenschaftler des US Naval Research Laboratory (NRL) um Thomas Sutto der Nachweis eines effektiven neuen Weges zur Entwicklung neuartiger und leichter Energiespeicher unter Verwendung von nicht-flüchtigen, thermisch stabilen ionischen Flüssigkeiten gelungen sei. An Stelle von sauren Elektrolyten sollen nun ionische Flüssigkeiten verwendet werden, um aus einer ionischen Flüssigkeit und Polyvinylalkohol einen Festpolymerelektrolyt zu schaffen, der die Entwicklung neuer Arten von Festkörperbatterien mit Entladungsspannungen von bis zu 1,8 V erlaubt. Die Fähigkeit, feste Separatoren herzustellen, ermöglicht die Schaffung vieler neuer Batterie-Typen sowie die Anwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Herstellungstechniken. Die ionische Flüssigkeit, auf die am NRL das Hauptaugenmerk gerichtet wird, ist 1-Ethyl-3-Methylimidazolium-Wasserstoffsulfat (EMIHSO4). Daneben werden aber auch ionische Flüssigkeiten auf Basis von Nitrat- und Dihydrogenphosphat-Anionen untersucht, die bei diesem Batterie-Design ebenfalls gut funktionieren sollen.


Eine Meldung, die im April 2011 ganz kurz in dem Fachforen erscheint, besagt, daß nun auch der britische Ölkonzern BP gemeinsam mit der University of Norwich an einer flüssigen Batterie zum schnellen Nachtanken von Elektroautos arbeitet. Das Kooperationsprojekt mit dem Namen Liquid Electrolyte Transfer System (LETS) ist für BP vermutlich deshalb so interessant, weil dem Konzern zufolge gewöhnliche Zapfsäulen so umgerüstet werden könnten, daß sie statt Brennstoffen den aufgeladenen Elektrolyten liefern. Technische Details gibt es keine.

Obwohl die Nachricht betont, daß das System schon erstaunlich weit entwickelt sei, sind kaum weitere Details zu finden. Das Unternehmen soll die Nachfüllbatterie bereits in umgebauten Nissan Juke Fahrzeugen auf der Strecke London-Folsdsyke testen, einer 290 km weit nördlich von London gelegenen Stadt. Da diese Meldungen jedoch ausgerechnet am 1. April erscheinen, und danach auch nichts mehr darüber zu finden ist, handelt es sich möglicherweise um einen mißglückten Aprilscherz ...


Daß Forscher der Sandia National Laboratories des DOE eine neue Familie von metallbasierten Flüssigsalz-Elektrolyten entdeckt haben, die sich für den Einsatz in Flow-Batterien eignen, wird im März 2012 gemeldet. Man hofft, mit diesen elektrochemisch reversiblen Metall-basierten ionischen Flüssigkeiten (electrochemically reversible Metal-based Ionic Liquids, MetILs) die drei- bis zehnfache Energiedichte anderer Speichertechnologien zu erreichen.

Die wichtigste Neuerung ist die Verwendung eines nicht-wässrigen Elektrolyten, der nicht in einem Lösungsmittel gelöst werden muß, da er sein eigenes Lösungsmittel ist. Hierfür hatte das Sandia-Team ein Verfahren zur Synthese von MetILs aus Low-Cost-Materialien erfunden, die Übergangsmetallatome enthalten, welche beim passieren der Membran eine Spannung und einen Ionenstrom erzeugen. Die synthetisierten MetILs zeigen eine Ionen-vermittelte elektrische Leitfähigkeit, und handeln sowohl als Elektrolyt wie auch als ionischer Ladungsträger. Durch ihren niedrigen Dampfdruck bei Betriebstemperatur verbessert sich auch die Betriebssicherheit von Flow-Batterien signifikant.

Da der Elektrolyt nicht in einem Lösungsmittel verdünnt ist, kann die Konzentration des aktiven Metalls etwa verdreifacht werden, was auch die Effizienz des Flow-Batteriezyklus erhöht. Dies alleine verdreifacht die Energiekapazität des Systems. Gleichzeitig kann auch die Betriebsspannung der MetILs-Batterie doppelt so hoch sein, wie bei einer normalen Vanadium-Durchflußbatterie, was die Energiekapazität ein weiteres Mal verdoppelt. Und schließlich ermöglicht die Chemie der MetILs-Batterien den Fluß von chemischen Substanzen, die für jedes Metall-Ion, das die Membran passiert, 2 – 3 Elementarladungen übertragen. Dies steigert die Energiedichte um den weiteren Faktor 2 – 3. Sollte es gelingen, alle Faktoren in der gleichen Flußbatterie zum Einsatz zu bringen, könnte die Energieleistung des flüssigen Elektrolyten um das 25- bis 30-fache erhöht werden, was die Speicherung von ca. 1,5 kWh/kg Elektrolyt erlauben würde.


Die Anfang 2011 gegründete Firma Boulder Ionics Corp. (BI) in Arvada, Colorado, will ultra-hochreine ionische Flüssigkeiten sowie Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten für anspruchsvolle elektrochemische Anwendungen produzieren, die bei hohen Temperaturen und Spannungen funktionieren.

Zum Einsatz kommen sollen diese unter dem Markennamen Iolyte in einer breiten Palette von Produkten, wie Ultrakondensatoren, Lithium-Ionen-Batterien und fortschrittlichen Metall-Luft-Batterien. Weitere angedachte Einsatzfelder sind Brennstoffzellen, Farbstoff-Solarzellen, Arzneimittel oder die Entschwefelung bei Erdölraffinerie-Prozessen.

Schon im November 2011 gibt das Unternehmen bekannt, daß es von der US Air Force eine Small Business Innovation Research (SBIR) Förderung in Höhe von 150.000 $ erhalten hat, um Hochleistungs-Ultrakondensatoren mit einer Energiedichte von über 30 Wh/kg zu entwickeln, die als Elektrolyte ionische Flüssigkeiten nutzen und nanostrukturierte Elektroden besitzen.

Im April 2012 folgt ein weiterer SBIR-Zuschuß von knapp 0,5 Mio. $, der diesmal von der National Science Foundation kommt und Boulder Ionics dabei helfen soll, ein neues und kostengünstiges Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von ionischen Flüssigkeiten in industriellen Mengen weiterzuentwickeln. Für ein nicht benanntes Projekt gibt es außerdem rund 300.000 $ von der US Navy. Im selben Monat gelingt es der Firma in einer Finanzierungsrunde A von bestehenden Investoren, darunter Protonic Capital, sowie neuen wie Pangaea Ventures, 9th Street Investments, dem CalCEF Clean Energy Angel Fund und der JSR Corporation insgesamt 4,3 Mio. $ einzunehmen.

Kathodenmaterial von Boulder

Kathodenmaterial von Boulder

Mit dem Stromversorger Hydro-Québec (HQ) wird im Oktober 2013 eine nicht-exklusive, weltweite Lizenzvereinbarung unterzeichnet, die BI Zugang zu einer Familie von Chemikalien aus dem Patentportfolio der HQ verschafft, welche bis(fluorosulfonyl)imide (FSI) enthalten. In Kombination mit bereits bestehenden Lizenzen über TFSI-Kompositionen hat BI damit die Rechte, zwei der vielversprechendsten Familien von ionischen Flüssigkeiten für die Energiespeicheranwendungen zu produzieren und zu vertreiben.

Im November folgt eine Investition aus dem Southern Cross Renewable Energy Fund in Höhe von 500.000 $, die verwendet werden soll, um ein gemeinsames Forschungsprogramm und eine Lizenzvereinbarung mit der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), der nationalen Forschungsorganisation Australiens, zu unterstützen, und um eine australische Tochtergesellschaft der BI zu gründen. Mit diesem Kapitalzuwachs treten auch Southern Cross Venture Partners, SB China Venture Capital (SBCVC) und die australische Agentur für erneuerbare Energien (ARENA) der BI-Investorengruppe bei.

Als Produkte bietet das Unternehmen zu diesem Zeitpunkt die ionischen Flüssigkeiten Iolyte-P1 (EMIM TFSI) und Iolyte-P2 (EMIM FSI), während sich Iolyte-B1 (EMIM FSI + proprietäre Zusätze) für Batterieanwendungen sowie Iolyte-U1 (EMIM TFSI + proprietäre Zusätze) für Ultrakondensator-Anwendungen nun in der Entwicklung befinden.


Ein anderes Unternehmen, das ionische Flüssigkeiten produziert und vermarktet, ist das internationale Unternehmen Sigma-Aldrich Co. LLC, das allerdings insgesamt über 200.000 verschieden Produkte herstellt, sodaß diese Materialien keine besondere Priorität genießen. Die Firma arbeitet auf diesem Sektor mit der Texas State University und dem Naval Air Warfare Center in Kalifornien zusammen. Angeboten werden bereits 12 verschiedene Substanzen (Stand 2013).


Die Entdeckung einer weiteren neuen Familie von ionischen Flüssigkeiten zur Herstellung neuer Elektrolyte wird im Juli 2013 gemeldet. Forscher des Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo (CIDETEC) im Baskenland, einer 1997 gegründeten gemeinnützigen Stiftung, und der Universitat Jaume I. in Castellón de la Plana haben demzufolge Elektrolyte entwickelt und bereits durch ein Patent geschützt, die keine zusätzlichen Lösungsmittel oder Wasser enthalten, mit anorganischen Materialien kompatibel sind und die Leistung, Stabilität und Haltbarkeit elektrochemischer und elektronischer Geräte verbessern. Ihre Anwendungen sollen sie in Batterien und Farbstoff-Solarzellen finden.

Die Materialien beinhalten Sulfid oder Polysulfid, eine nichtflüchtige ionische Flüssigkeit, die eine hohe Ionenleitfähigkeit besitzt und bei relativ hohen Temperaturen genutzt werden kann. Daher verspricht ihre Anwendung auch die Herstellung von Batterien mit höherer Energiedichte. Die Elektrolyte durchlaufen bereits entsprechende Konzepttests, um die Eigenschaften der patentierten Verbindungen bei direkten industriellen Anwendungen zu validieren.


Doch es gibt noch weitere Flow-Batterien mit sehr unterschiedlichen Chemiken.


Die 2004 gegründete Firma Deeya Energy aus Fremont, Kalifornien, kann bereits in einer ersten Finanzierungsrunde im Jahr 2006 rund 7,5 Mio. $ Wagniskapital einnehmen, gefolgt von einer 2. Runde mit weiteren 15 Mio. $ im Januar 2008. Zu den Investoren gehören New Enterprise Associates, BlueRun Ventures, Draper Fisher Jurvetson und DFJ Element. Das Unternehmen, das seine Energiespeichersysteme aus umweltfreundlichen und recycelbaren Materialien herstellt, wird das Geld für den Bau einer Fabrik in Indien sowie für weitere Forschungs- und Entwicklungsausgaben verwenden. Grundlage der Energiespeicherplattform der Firma sei eine in den 1970er Jahren von der NASA entwickelte Technologie.

Im Mai 2009 kann Deeya in einer 3. Finanzierungsrunde 30 Mio. $ kassieren. Neben den bisherigen Investoren steigt nun auch Technology Partners mit ins Boot. Die Ingenieure der Firma arbeiten an einer modularen Flow-Batterie für drei Anwendungen – als Ersatz von Dieselgeneratoren, zur Lagerung von Strom aus erneuerbaren Energien und für die Stabilisierung des Stromnetzes. Die neuen Mittel sollen nun insbesondere dazu verwendet werden, um die Produktion der so genannten L-Cell Technologie auszubauen. Außerdem soll in den nächsten 12 – 18 Monaten eine Megawatt-Demonstrationsanlage in Betrieb genommen werden.

Die Redox-Flow-Batterie von Deeya auf Grundlage einer Eisen-Chrom-Chemie kombiniert die Effizienz eines Großakkus mit der Energiespeicherfähigkeit einer Brennstoffzelle, und soll als Low-Cost-Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien und anderen fortgeschrittenen Speichertechnologien vermarktet werden, die etwa 10 bis 20 Mal weniger kosten soll. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg.

Im Juni beginnt das Unternehmen, seine kommerziellen 2 kW Einheiten zu verschiffen, allerdings noch zu einem Preis von 4.000 $/kg. Die ersten Festinstallationen erfolgen in Indien, wo Mobilfunkanbieter ihre Funkmasten damit versorgen. Um ans Stromnetz zu kommen, müßten die Kosten jedoch noch um das Vierfache gesenkt werden.

Ende 2013 wird Deeya in Imergy Power Systems umbenannt, wechselt zu einer neuen Batteriechemie und bekommt ein neues Management-Team, um eine breitere Marktpräsenz zu erreichen. Bislang war es nur gelungen, die Flow-Batterien für die Backup-Stromversorgung von Telekommunikations-Türmen in Indien zum Einsatz zu bringen. Außerdem soll eine Design-Vereinbarung mit dem Auftragsfertiger Flextronics dabei helfen, die neue Produktgeneration schneller auf den Markt zu bringen.

Die von dem Imergy-Chefwissenschaftler Majid Keshavarz entwickelte vielversprechende neue Flow-Batterie-Chemie basiert auf Vanadium (s.d.) und verspricht eine lange Lebensdauer sowie niedrigere Produktionskosten, die bis 2015 auf unter 300 $/kW gesenkt werden sollen, also weniger als die Hälfte der Kosten heutiger Flow-Batterien. Das neueste Design fügt dem Elektrolyten einen Low-Cost-Katalysator hinzu, der die Energiedichte verbessert, dabei hilft, den Gasaufbau zu kontrollieren und den Akkus ermöglicht, auch bei hohen Temperaturen zu arbeiten, womit keine aktiven Kühlsysteme mehr erforderlich sind.

Im Zuge der Partnerschaft mit Flextronics plant Imergy, für Telekom-Türme oder private Anwendungen eine 5 kW/30 kWh Batterie einzuführen. Bis zum folgenden Herbst soll ferner eine 250 kW Anlage marktreif sein, die Imergy intern entwickelt, und die für den Einsatz in Mikronetzen in Ländern vorgesehen sind, in denen es kein zentrales Stromnetz gibt und die Elektrizität durch Dieselmotoren erzeugt wird. Eine der Herausforderungen, die nun im Raum stehen, sind die relativ hohen Kosten des Vanadiums selbst.


Im September 2010 erhält ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge um die Professoren Yet-Ming Chiang und W. Craig Carter eine dreijährige ARPA-E Förderung, um ein radikal neues Konzept für die Gestaltung von Batterien weiter zu entwickeln, das eine leichte und kostengünstige Alternative zu bestehenden Batterien für Elektrofahrzeuge und Stromnetze zu liefern verspricht. Die neuartige Architektur wird als halbfeste Flußzelle bezeichnet, da hier in einer Trägerflüssigkeit suspendierte feste Teilchen durch das System gepumpt werden. Das Patent dafür war im Juni 2009 beantragt und im Februar 2010 erteilt worden (US/Nr. 20100047671).

Bislang verwenden Flow-Batterien zumeist Flüssigkeiten mit sehr geringer Energiedichte, die bestehenden Systeme nehmen daher viel mehr Platz als Brennstoffzellen ein und erfordern eine schnelles Pumpen ihrer Flüssigkeit, was die Effizienz weiter reduziert. Die neuen halbfesten Flow-Batterien überwinden diese Einschränkung durch eine um das 10-fache verbesserte Energiedichte gegenüber vorliegenden Flüssigkeitsstrom-Batterien. Dadurch ist es nicht mehr nötig, die Flüssigkeit schnell durch die Zelle zu pumpen. Außerdem soll es die neue Konstruktion möglich machen, die Größe und die Kosten eines vollständigen Batteriesystems auf ungefähr die Hälfte des gegenwärtigen Standes zu senken.

Cambridge crude

Cambridge crude

Im Grunde führen die Wissenschaftler nur zwei bewährte Technologien zusammen, als ihnen klar wird, daß es möglich ist, die Grundstruktur der wäßrigen Flow-Batterien mit der bewährten Chemie von Lithium-Ionen-Batterien zu kombinieren, indem die festen Materialien der Batterien auf winzige Teilchen reduziert werden, die in einer flüssigen Suspension transportiert werden können – ähnlich Treibsand, der wie eine Flüssigkeit fließen kann, auch wenn er hauptsächlich aus Feststoffpartikeln besteht. Da die resultierende schwarze Flüssigkeit als Alternative für Erdöl im Transportwesen betrachtet wird, bezeichnet das Team sie in einem im Mai 2011 veröffentlichtem Bericht humorvoll als ‚Cambridge crude’ (Rohöl) oder ‚Cambridge sludge’ (Schlamm).

Neben möglichen Anwendungen in Fahrzeugen soll sich das neue Batterie-System auf sehr große Dimensionen zur Versorgung des Stromnetzes hochskalieren lassen, und dies zu recht niedrigen Kosten. Da das System nicht auf eine bestimmte Chemie beschränkt ist, kann daraus zumindest potentiell eine ganze Familie neuer Batteriesysteme entstehen, weshalb der als ‚Batterieguru’ bezeichnete Chiang (dessen frühere Arbeiten zu Li-Io-Batteriechemie 2001 zu der Gründung des MIT-Spin-offs A123 Systems führte, s.d.) zusammen mit seinen Mitarbeitern nun verschiedene chemische Verbindungen erforscht, die in dem halbfesten Flußsystem verwendet werden könnten. Von vielen Seiten wird die erfolgreiche Demonstration einer halbfesten Lithium-Ionen-Batterie als wichtiger Durchbruch betrachtet, der für die Zukunft der Energieerzeugung und -speicherung enorme Bedeutung hat, da nun belegt ist, daß auch aktive Materialien, die in Form von Schlämmen vorliegen, zur Speicherung elektrischer Energie verwendet werden können.

Schon im Sommer 2010 hatten Chiang und Carter zusammen mit dem Unternehmer Throop Wilder – als Spin-of der A123 Systems – in Cambridge, Massachusetts, das Unternehmen 24M Technologies Inc. gegründet, das sich die neue Technologie umgehend lizenzieren läßt. Das 24M steht dabei für die Stoffkonzentration 24 Molar.

Das Unternehmen erhält bereits in seiner ersten Finanzierungsrunde im August 2010 eine Summe von 10 Mio. $ Risikokapital von Charles River Ventures and North Bridge Venture Partners, sowie zusätzliche 6 Mio. $ von der Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), der Forschungsagentur des US-Energieministeriums.

Die weiterführende Forschung wird nun teilweise bei 24M stattfinden, gemeinsam mit einigen MIT-Absolventen, die bereits an dem Projekt mitgearbeitet haben; teilweise am MIT, wo die Professoren Angela Belcher und Paula Hammond Forschungspartner sind (s.u. Viren-Batterie); und teilweise an der Rutgers University, wo Prof. Glenn Amatucci entsprechend aktiv ist. Auch A123 Systems, die Aktienanteile an der 24M hält, wird eng mit dem Konsortium zusammenarbeiten. Bis Ende des Förderzeitraums soll ein voll funktionsfähiges, verkleinertes und produktionsbereites Prototyp-System präsentiert werden, das als Ersatz für bestehende Elektroautobatterien dienen und deren Kosten um bis zu 85 % reduzieren könnte. Chiang rechnet zu diesem Zeitpunkt mit bis zu fünf Jahren, bevor Feldtests starten können.

Die Firma nutzt konzentrierte Suspensionen von Nanopartikeln der üblichen Li-Ion-Akku-Kathodenmaterialien wie Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) und Lithium-Eisenphosphat (LFP) in einem Elektrolyten, um eine energiereiche Flüssigkeit zu schaffen, die langsam über eine Membran fließt, während die ähnliche Suspension eines Anodenmaterials wie Graphit oder Lithiumtitanat (LTO) über die andere Seite der Membran fließt. Auf der Grundlage der bislang hergestellten Laborzellen sollten Energiedichten von 300 Wh/l bis 500 Wh/l und spezifische Energien von 130 Wh/kg bis 250 Wh/kg möglich sein. Da die Kosten der Suspensionen zwischen 40 $/kWh und 80 $/kWh zu den Kosten der Batterie beitragen werden, wird mit einem potentiellen Systempreis von 250 $/kWh für Elektrofahrzeug-Batterien bzw. 100 $/kWh für stationäre Batterien (Grid-Storage) gerechnet. Dies ist auf jeden Fall wesentlich günstiger als die Vanadium-Redox-Chemie des deutschen Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal, bei der die Elektrolytlösungen allein mit über 200 $/kWh zu Buche schlagen (s.d.).

Mitte 2011 wird gemeldet, daß 24M inzwischen schon über 30 Patente besitzt bzw. angemeldet hat. Genau ein Jahr später dringt das Gerücht an die Öffentlichkeit, daß die thailändische National Science and Technology Development Agency versucht, die Entwickler der neuen Technologie davon zu überzeugen, die Herstellung der für Inseln idealen Stromquelle in Thailand aufzubauen. Vorab wird ein Forscher entsandt, um an dem Projekt teilzunehmen. Aktuellere Nachrichten gibt es bislang nicht.


Die Professoren Martin Z. Bazant und Cullen R. Buie arbeiten am MIT an der Entwicklung einer Wasserstoff-Brom Laminar-Flow-Batterie, die als Energiespeicher im großen Maßstab zum Einsatz kommen soll. Das Besondere an dieser neuen wiederaufladbaren Flow-Batterie ist, daß sie zu ihrem Betrieb keine teuren Membranen benötigt.

Im April 2012 erhalten die Forscher eine Seed-Förderung des MIT, und im August 2013 wird erstmals über den bisherigen Entwicklungsstand berichtet. Der zu diesem Zeitpunkt präsentierte handtellergroße Prototyp erzeugt drei Mal so viel Leistung pro Quadratzentimeter wie andere membranbasierte Systeme, und erreicht damit eine Leistungsdichte, die um eine Größenordnung höher ist als die vieler Lithium-Ionen-Batterien oder anderer kommerzieller und experimenteller Energiespeichersysteme.

Lagen der Laminar-Flow-Batterie

Lagen der
Laminar-Flow-Batterie

Die neuartige Flow-Batterie funktioniert aufgrund eines Phänomens, das als laminare Strömung bezeichnet wird. Dabei werden zwei Flüssigkeiten durch einen Kanal gepumpt, wobei zwischen den beiden Elektroden elektrochemische Reaktionen erfolgen, um Energie zu speichern oder freizusetzen. Unter den richtigen Bedingungen strömen die Lösungen parallel durch den Kanal, wobei sie sich kaum vermischen. Die Strömung trennt die Flüssigkeiten auf natürliche Weise, ohne eine kostspielige Membran erforderlich zu machen.

Die Reaktionspartner in der Batterie bestehen aus einer flüssigen Lösung von Brom und Wasserstoff, wobei das Brom ausgewählt wurde, da es relativ preiswert und in großen Mengen verfügbar ist. Von Brennstoffzellen auf Basis von Wasserstoff und Brom ist allerdings bekannt, daß die entstehende Bromwasserstoffsäure dazu neigt, die Membran zu zerfressen. Dies würde aber die Energiespeicher-Reaktion verlangsamen und die Lebensdauer der Batterie verringern. Um das Problem zu umgehen, setzt das Team die einfachste Lösung um – indem es die Membran entfernt. Tatsächlich erweist sich, daß dieses System potentiell große praktische Auswirkungen haben kann, im Gegensatz zu früheren Meinungen, daß membranlose Systeme eine rein akademische Spielerei darstellen.

Bei dem Prototyp mit seinem kleinen Kanal zwischen den beiden Elektroden wird flüssiges Brom über eine Graphitkathode und Bromwasserstoffsäure unter einer porösen Anode entlang geführt, während gleichzeitig Wasserstoffgas über die Anode strömt. Die daraus resultierenden Reaktionen zwischen Wasserstoff und Brom erzeugen Energie in Form freier Elektronen, die abgegeben oder freigesetzt werden können. Ebenso gelingt es, die chemische Reaktion innerhalb des Kanals umzukehren, um Elektronen einzufangen und zu speichern. In Experimenten bei Raumtemperatur erzeugt die Batterie eine maximale Leistungsdichte von 0,795 W/cm2. Außerdem entwickeln die Forscher ein mathematisches Modell, um die chemischen Reaktionen in einem Wasserstoff-Brom-System zu beschreiben, dessen Vorhersagen sich mit den experimentellen Ergebnissen decken. Nun hofft man, im Zuge weiterer Arbeiten an dem Modell Rekord-Leistungsdichten zu erreichen, um letztlich membranlose Flow-Batterien zu produzieren, die weniger als 100 $/kWh kosten.


Im August 2013 wird das United Technologies Research Center (UTRC) mit Hauptsitz in in East Hartford, Connecticut, für sein Speichersystem PureStorage mit dem R&D 100 Award des R&D Magazine ausgezeichnet.

Das UTRC ist der Unternehmensbereich für Forschung und Entwicklung von United Technologies, wo an der Lizenzierung der Flußbatterietechnologie für strategische Fertigungspartner weltweit gearbeitet wird.

Die PureStorage-Technologie ist in einem standardmäßigen 6 m Überseecontainer installiert, um die sofortige Einsatz- und Installationsbereitschaft am Kundenstandort zu belegen. Mit einer Demonstrationsanlage, die am UTRC installiert und elektrisch an den Forschungsstandort angebunden ist, will man die Einsatzmöglichkeiten im Industriebereich aufzeigen.

Das von Michael Perry und Craig Walker entwickelte System, über dessen Chemie bislang nichts zu erfahren ist, soll gegenüber konventionellen Flußbatteriezellen eine 5 – 10 Mal höhere Energiedichte erreichen (1,2 mW/cm2) und kann auch an unterschiedliche Größenordnungen angepaßt werden (20 kWh bis > 1 MWh) – und dies zum halben Preis im Vergleich zu anderen gegenwärtig auf dem Markt erhältlichen Speicherlösungen. (Anmerkung: Unter dem Namen Pure Storage gibt es auch eine Firma für Flash-Speicher, die allerdings nichts mit dieser UTRC-Entwicklung zu tun hat).


An einer grundlegenden Weiterentwicklung für flüssige elektrische Batterien arbeitet auch Prof. Thomas P. Russell von der University of Massachusetts. Der Wissenschaftler nutzt den Fakt, daß sich Öl und Wasser nicht mischen, um die natürliche sphärische Form von Flüssigkeitstropfen in Ellipsoide, Röhrchen und sogar Faserstrukturen zu verändern, die aussehen wie Glaswolle.

Tropfenverformung

Tropfenverformung

Der Meldung vom Dezember 2013 zufolge gelingt es Russell, die Wassertropfen in einer Kombination aus Wasser, Öl und Nanopartikel-Tensiden durch den Einfluß eines äußeren Feldes in Nicht-Gleichgewichtsformen zu stabilisieren. Im Einzelnen wird ein Tropfen Wasser in Siliconöl suspendiert und dem Ganzen carboxylierte Nanopartikel hinzugefügt.

Die Nanopartikel bilden durch Selbstorganisation an der Öl/Wasser-Grenzfläche einen kugelförmigen Tensidtropfen, ähnlich wie bei einer Seifenblase. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an den Tropfen wird die Gleichgewichts-Energie überwunden, welche die Kugelform stabilisiert, worauf sich die Kugel in ein Ellipsoid verformt. Und da ein Ellipsoid eine größere Oberfläche als eine Kugel mit dem gleichen Volumen hat, können sich auch mehr Nanopartikel daran binden. Sobald das elektrische Feld entfernt wird, versucht der Nanopartikel-Tropfen zur Kugelform zurückzukehren. Dies wird jedoch durch die gesteigerte Anzahl von Nanopartikeln an der Öl/Wasser-Grenzfläche verhindert, wodurch der Tropfen in einer stabilen Ellipsenform fixiert wird.

Indem die Form einer Flüssigkeit kontrollierbar wird, die sich in einer anderen Flüssigkeit befindet, und die Formen der Flüssigkeiten quasi fest ‚eingerastet’ sind, werden mikrofluidische Bauteile denkbar, die innerhalb eines Tropfens vollständig flüssig sind, ebenso wie Batterien, in denen die Ionen durch Wasserrohre fließen. Russell wird die Forschungen nun am Berkeley Lab weiterführen, wobei er sich auf die Anwendung von magnetischen und Ultraschallfeldern konzentrieren will, um die Tröpfchen zu verformen.


Im Januar 2014 meldet die Fachpresse, daß ein Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren der Harvard University in Cambridge nicht näher bezifferte Fördermittel aus dem ARPA-E Programm des DOE erhalten hat, um eine neue Art von Batterie für Netzanwendungen zu entwickeln. Schon im Jahr zuvor hatte die Projektgruppe aus derselben Quelle einen Zuschuß von 600.000 $ bekommen.

Dabei handelt es sich um eine metallfreie Flow-Batterie, die auf der Elektrochemie des in Erdöl sowie in grünen Pflanzen reichlich vorhanden, preiswerten und kleinen organischen Moleküls Chinon (engl. Quinone) auf Kohlenstoffbasis basiert, welches jenen Molekülen ähnelt, die Energie in Pflanzen und Tieren speichern. Die Chinone werden in Wasser gelöst, damit sie sich nicht entzünden.

An dem Projekt der Chinon-Bromid-Flußzelle sind eine ganze Reihe hochkarätiger Wissenschaftler beteiligt. Während die Batterie selbst von Prof. Michael J. Aziz entwickelt, gebaut und getestet wird, werden die Arbeiten zur Synthese der Moleküle von Prof. Roy G. Gordon durchgeführt, und Prof. Alán Aspuru-Guzik verwendet seine bahnbrechende, numerische Hochdurchsatz-Molekular-Screening-Methode, um auf der Suche nach den besten Kandidaten für die Batterie die Eigenschaften von mehr als 10.000 Chinon-Molekülen zu berechnen. Die Synergie von Hochdurchsatz-Quantenchemie und experimenteller Überprüfung erlaubt es dem Team, das richtige Molekül in sehr kurzer Zeit zu finden.

Das Labormodell der neuen Flow-Batterie arbeitet schon genauso gut wie Vanadium-Redox-Batterien, und dies mit Chemikalien, die deutlich weniger teuer sind und auch ohne Edelmetall-Elektrokatalysator auskommen. Die verwendeten Substanzen schlagen mit nur 27 $/kWh gespeicherten Stroms zu Buche, wobei das verwendete Molekül nahezu identisch ist mit einem aus der Rhabarber-Pflanze. Zwar werden auch nach mehr als 100 Zyklen keine Anzeichen einer Verschlechterung festgestellt, doch kommerzielle Anwendungen erfordern Tausende von Zyklen. Erreicht wird bereits eine relativ hohe Leistungsdichte von 600 mW/cm2.

Bis zum Ende der dreijährigen Projektlaufzeit will die in Connecticut ansässige Firma Sustainable Innovations LLC, die ebenfalls an dem Projekt beteiligt ist, eine Demo-Version der portablen und hochskalierbaren organischen Flow-Batterie in der Größe eines Pferdeanhängers präsentieren können. Bislang beschäftigt sich das Unternehmen mit einer hocheffizienten HALO-GEN Speichertechnologie (> 80 %), die auf einer reversiblen Wasserstoff/Brom-Chemie basiert, die kostengünstig, skalierbar und flexibel konfigurierbar ist. Ihren Namen hat sie durch den Einsatz von Halogen als Trägergas.


Eisenbasierte Batterien


Im August 1999 wird gemeldet, daß Wissenschaftler um Projektleiter Stuart Licht am Technion - Israel Institute of Technology in Haifa eine wieder aufladbare Super-Eisen-Batterie auf der Basis von ‚Eisen (VI)’ entwickelt haben, die preisgünstig hergestellt werden und bis zu 50 % mehr Energie speichern kann als herkömmliche Batterien.

Bei ihrer Suche nach einem energiereichen, umweltfreundlichen Ersatz für das Mangandioxid der Alkalizellen-Kathode hatten die Forscher herausgefunden, daß sich hierfür auch bestimmte Eisen-Sauerstoff-Verbindungen eignen, sogenannte Ferrat-Salze, die aufgrund ihres ungewöhnlichen sechswertigen Eisens auch ‚Super-Iron’ genannt werden. Der Studie zufolge eignen sich am besten Kaliumferrat (K2FeO4) sowie das – allerdings weniger umweltfreundliche – Bariumferrat (BaFeO4). Während herkömmliche Mangandioxid-Batterien nur 323 Wh/kg liefern, speichern die Ferrat-Zellen 475 respektive 419 Wh/kg. Die neuen Batterien könnten wieder aufgeladen werden und sollen bei der Entsorgung keine giftigen Substanzen absondern.

Das Patent für eine aufladbare Speicherbatterie auf Basis von Eisen, die aus zwei Halbzellen besteht, hatte Licht im Rahmen der Firma Chemergy Ltd. bereits im Mai 1998 angemeldet (EP 0974169 B1, erteilt 2001). Im Jahr 2004 arbeitet Licht an der University of Massachusetts in Boston weiter an seiner Batterie, über die in dieser Zeit auch einige Fachartikel veröffentlicht werden, und 2011 meldet er von der George Washington University aus ein weiteres Patent an (PCT/US2011/042740, erteilt 2012). Über irgendwelche Umsetzungen ist bislang jedoch nichts zu finden.


Eisen-Luft-Batterie


Die wieder aufladbare Eisen-Luft-Batterie nutzt die chemische Energie, die bei der Oxidation von Eisenplatten entsteht, wenn diese der Luft ausgesetzt sind – ein Vorgang der dem Rosten ähnelt. Es gibt diese Batterien schon seit einigen Jahrzehnten, und nach der Energiekrise Anfang der 1970er Jahre steigt auch das Interesse an ihrer Weiterentwicklung. Trotzdem gelten sie bislang als wenig effizient, und insbesondere die langsame Entladung und kurze Lebensdauer machen sie für einen Einsatz als Netz-Speicher ungeeignet. Außerdem erfordern diese Batterien einen hohen Grad an Unterstützung, da das CO2 aus der Luft entfernt werden muß, um die Bildung von Kaliumcarbonat im KOH-Elektrolyten zu verhindern. Positiv schlägt zu Buche, daß Eisen billig ist (~ 1 $/kg), während die Luft gar nichts kostet.

Im August 2012 wird gemeldet, daß es einem Forscherteam um Prof. Sri Narayan an der University of Southern California (USC) gelungen ist, die Energiespeichereffizienz einer Eisen-Luft-Batterie um das Zehnfache zu steigern. Durch Beimischung von Wismutsulfid (Pepto-Bismol) in die eisenhaltige Elektrodenbeschichtung können die Effizienzverluste durch die bei der Oxidation entstehenden Wasserstoffe auf knapp 4 % reduziert werden. Bisher war durch die intensive chemische Hydrolyse-Reaktion im Inneren der Batterie etwa 50 % der Energie in die Erzeugung von Wasserstoff geflossen. Die umweltfreundlichen neuen Low-Cost-Batterien, die bereits zum Patent angemeldet sind, haben eine Speicherkapazität von 8 – 24 Stunden, wobei die Entladungsgeschwindigkeit, die jetzt bei 1 – 2 Stunden liegt, durch gezielte weitere Veredelung des Eisens noch beschleunigt werden soll.

Eine weitere entscheidende Stärke des Systems ist das bemerkenswert einfache und kostengünstige Design der Eisenelektrode. Die Forscher kombinieren Eisenpulver mit einem Polyethylen-Bindemittel und erhitzen die Mischung, um eine als ‚Preßplatte’ einfach herzustellende Elektrode mit hoher spezifischer Energie zu erhalten. Um 1 kWh Energie zu speichern sind nur etwa 3 kg Eisenpulver erforderlich, weshalb die Forscher hoffen, einen stark konkurrenzfähigen Batteriepreis von nur 100 $/kWh zu erreichen.

Narayan hatte im Oktober 2010 aus dem ARPA-E Programm eine dreijährige Förderung in Höhe von 1,5 Mio. $ erhalten, um einen Eisen-Luft-Akku als großen Energiespeicher zu entwickeln, der dabei helfen soll, die erneuerbaren Energiequellen in das Stromnetz zu integrieren.


Interessant ist, daß die deutsche Firma Linde AG bereits im Mai 2012 das Patent für ein ‚Versorgungssystem mit Metall-Luft-Batterie und Luftzerlegungsanlage’ sowie das zugehörige Betriebsverfahren beantragt hat (DE 102012008963 A1, erteilt 2013), bei dem die Ansprüche u.a. auch eine Eisen-Luft-Batterie umfassen.

 

Oxygen Rocking Cycle

Oxygen Rocking Cycle

Im August 2012 berichten Forscher um MitsuhiroHibino von der Universität Tokio von ihrer Entwicklung einer neuartigen Lithium-freien, wäßrigen Sauerstoffschaukel-Batterie (o. Sauerstoff-Pendel-, Oxygen Rocking), bei welcher der Sauerstoff zwischen der Kathode und der Anode pendelt, die aus Perowskit-verwandten Oxiden auf Eisenbasis bestehen.

Im Dezember 2013 meldet das Team die Konstruktion eine Batterie auf Grundlage einer CaFeO3 Kathode und einer Natriumanode, in Verbindung mit einem NaClO4/Triglyme-Elektrolyten.

Unterstützt werden die Forschungen von der japanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft (JSPS) und von der ‚Nanotechnologie-Plattform’ des Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT).

Diese wieder aufladbare Sekundärbatterie hat den großen Vorteil, daß sie auch ohne teure Elektrodenmaterialien wie Kobalt auskommt. Über praktische Umsetzungen ist noch nichts bekannt.


Eisen-Nickel-Batterie


Siehe unter Nickel-Eisen-Batterie.


Eisen-Phosphat-Batterie


Siehe unter Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie.


Eisen-Silber-Batterie


Mit wieder aufladbaren Eisen-Silber-Zellen beschäftigt sich in erster Linie die Firma Westinghouse Electric Corp. in Pittsburgh, Pennsylvania, die schon 1977 über erfolgreiche Umsetzungen berichtet. Die alkalischen Batterien mit einem KOH-Elektrolyt und den Arbeitsmaterialien Silber und metallisches Eisen haben eine sehr hohe Energiedichte und eine gute Zykluslebensdauer. Zu diesem Zeitpunkt bieten sie die höchste Energiekapazität unter den verfügbaren handelsüblichen Batterien, allerdings verhindern ihre hohen Kosten eine weite Verbreitung.

Das Unternehmen setzt die neuen Batterien als Notstromversorgung bei Fesselballon-Telekommunikationssystemen ein und betrachtet sie auch als ideale Energiequellen für viele andere Anwendungen einschließlich mobiler Antriebe an Land und in U-Booten.

Jede Eisen-Silber-Zelle liefert nominal 1,1 V, wobei Westinghouse Batterien produziert, die aus 24 Stück solcher Zellen bestehen, die jeweils bei einem Gewicht von 1,67 kg eine Energieleistung von etwa 3,5 kWh erreichen. Eine 40 kg Batterie hat damit etwa fünf Mal die Energiekapazität von Blei-Säure-Batterien, und das Doppelte von Nickel-Cadmium-Batterien von vergleichbarem Gewicht.

Erst im Jahr 1990 berichtet das Unternehmen über weitere Fortschritte bei der Entwicklung einer Silber-Eisen-Batterie für Kommunikationszwecke. Dabei werden Tests mit einer experimentellen 8 Ah/12 V Batterie durchgeführt, die speziell für die Leistungsanforderungen einer Funkanlage entwickelt worden ist. Die Ergebnisse zeigen, daß die Silber-Eisen-Batterie wartungsfrei über 20 Zyklen betrieben werden kann, bei vernachlässigbarer Verschlechterung der Kapazität bzw. Spannung. Durch den Zusatz von Wasser im 25. Zyklus erholt sich die Batterie sofort. Nun werden mehreren Design-Modifikationen geplant, um die Notwendigkeit einer Wartung vollständig zu eliminieren.


Farbstoff-Batterie


Das im Juni 2012 gegründete Startup Alveo Energy in Palo Alto, Kalifornien, entwickelt eine langlebige und extrem preisgünstige Batterie mit Wasser als Elektrolyt. Die Grundlage dieser Technologie hatte Colin Wessells an der Stanford University gelegt, der vier Jahre zuvor mit seiner entsprechenden Diplomarbeit begonnen hatte. Nun ist Wessells gemeinsam mit dem ursprünglichen Ideengeber Prof. Robert Huggins Gründer der Firma, welche die Kommerzialisierung der neuen Batterie anstrebt. Neben Wasser besteht diese in erster Linie aus dem elektrochromatischen Farbstoff Preußischblau, der u.a. für Blue Jeans verwendet wird. Hergestellt wird die Alveo-Batterie, indem dem Preußischblau etwas Eisen und Kupfer zugefügt wird, um dadurch eine Batterie-Struktur zu optimieren, die einen wasserbasierten Elektrolyten verwenden kann. Die Ausarbeitung dieser Struktur beschäftigte Wessells zwei Jahre, der nun damit rechnet, daß es bis zu einer kommerziellen Version noch mindestens drei Jahre dauern wird, wenn nicht länger.

Um Objekte wie Fahrzeuge zu bewegen, sind die Batterien weniger geeignet, da sie eine geringere Spannung haben und auch eine kleinere Ladung liefern als typische Lithium-Ionen-Batterien – etwa ein Zehntel der Energie, ein Drittel die Spannung, und ein Drittel der Ladung. Der Grund dafür ist, daß nur ein Sechstel der Ionen in der Batterie-Struktur elektrochemisch aktiv sind. Dies bedeutet, daß die Batterien relativ groß und daher vor allem für den stationären Einsatz geeignet sind.

Das Unternehmen ist der F&E-Phase und veröffentlicht im Oktober Daten des ersten Prototyps (die inzwischen jedoch nicht mehr Online sind). Als das Department of Energy aus dem ARPA-E Programm im November 66 Projekte finanziert, ist Alveo mit einem Zuschuß in Höhe von 4 Mio. $ dabei, eine der größten Einzelzuwendungen. Grund ist das Potential der niedrigen Herstellungskosten von weniger als 100 $/kWh, was sogar noch unter dem gegenwärtigen Preis von Blei-Säure-Batterien liegt (150 – 200 $/kWh).

Mit der zweiten Generation der Batterie wird versucht, Größe und Leistung zu verbessern. Dieser Prototyp ist bereits in der Lage, die Batterieleistung über ein bis zwei Jahre ohne Beeinträchtigung aufrecht zu erhalten, wobei für kommerzielle Batterien eine Lebensdauer von fünf bis zehn Jahren anvisiert wird. In Arbeit ist nun ein 1 kW Prototyp, der drei bis vier Mal größer als eine Standard-Auto-Batterie ist und 50 kg wiegt. Sonst gibt es bislang keine weiteren Neuigkeiten, und auch die Homepage von Alveo ist völlig nichtssagend.


Im Dezember 2012 wird in der Fachpresse noch ein weiterer Farbstoff genannt. Diesmal berichten Wissenschaftler der Rice University, des City College of New York und des US Army Research Laboratory um Prof. George John und Dr. Leela Reddy darüber, gemeinsam eine Batterie entwickelt zu haben, bei welcher der rote Farbstoff Purpurin, ein Extrakt aus Krappwurzeln (Rubia tinctorum), eingesetzt wird. Dieser wird seit mindestens 3.500 Jahren als natürlicher Farbstoff für Textilien verwendet, in jüngerer Zeit beispielsweise bei der Fes oder Tarbusch genannten orientalischen Kopfbedeckung.

Purpurin ist einfacher herzustellen als viele andere organische Materialien und zudem noch ungiftig. Die elektronenreichen, sechsgliedrigen (aromatischen) Ringe der Farbmoleküle sind in der Lage, Carbonyl- und Hydroxylgruppen anzugliedern, was sie zu hervorragenden Elektroden zur Verwendung in Batterien macht. Sie lassen sich auch leicht mit Lithium verbinden. Hergestellt wird die Purpurin-Elektrode bei Raumtemperatur und in wenigen einfachen Schritten: Purpurin wird in einem alkoholischen Lösungsmittel aufgelöst und dann Lithiumsalz hinzugefügt, worauf sich die Lösung von rötlich gelb zu rosafarben verfärbt, wenn sich das Salz mit der Purpurin verbindet und chemisch lithiumhaltiges Purpurin entsteht (Chemically Lithiated Purpurin, CLP). Das Lösungsmittel wird entfernt und der verbleibende Feststoff, der auch bei Raumtemperatur gelagert werden kann, wird im Vakuum getrocknet.

Um eine Arbeitselektrode zu machen, wird die Purpurin/CLP mit Ruß in einem Verhältnis von 80:20 gemischt und auf eine Edelstahlplatte beschichtet. Die Testergebnisse zeigen einen anodischen Peak bei 2 V und kathodische Peaks bei etwa 2,6 V und 3,2 V, was die Forscher als eindeutige Beweise für reversible Lithiierung/Delithiierung-Prozesse in den Purpurin-Moleküln betrachten. Die sehr gute reversible Lithium-Ionen-Speichereigenschaft von etwa 90 mAh/g nach 50 Lade Entlade-Zyklen ist vergleichbar mit der von herkömmlichen anorganischen Kathoden. Nun suchen die Forscher nach Wegen, um die Leistung zu verbessern, beispielsweise durch das ‚Engineering’ der ebenen Substrate in miteinander verbundene poröse 3D-Strukturen, durch die Verbesserung der Leitfähigkeit des organischen Moleküls und durch die Suche anderen organischen Molekülen und Verarbeitungstechniken.

Die Forscher sind überzeugt, in ein paar Jahren einen kommerziellen ‚grünen’ Li-Ionen-Akku entwickeln zu können. Ein wichtiger Faktor zur Weiterverfolgung dieser Technologie ist, daß Purpurin-Akkus mit Standard-Batteriefertigungstechniken hergestellt werden können.


Fluorid-Ionen-Batterie


Im Oktober 2011 wird aus dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeldet, daß ein Team um Maximilian Fichtner und Munnangi Anji Reddy vom Institut für Nanotechnologie ein völlig neues Konzept für wiederaufladbare Metallfluorid-Batterien entwickelt hat. Das auf der Übertragung von Fluorid-Anionen zwischen den Elektroden basierende System (Fluorid-Shuttle), verspricht neben der höheren Speicherkapazität auch eine erhöhte Betriebssicherheit, da es ohne Lithium auskommt. Die theoretische Energiedichte einer solchen Batterie beträgt bis zu 5.200 Wh/L. Die Publikation stößt weltweit auf starkes Interesse und stößt in verschiedenen Ländern Forschungsprogramme an, um das neue Prinzip zu erforschen und weiterzuentwickeln.

Die Fluorid-Ionen-Batterie verwendet eine Anode aus dem Metall Cer, eine Kathode aus Metallfluorid und einen fluoridhaltigen Elektrolyten. Den Ladungstransfer dabei übernimmt anstelle des Lithium-Kations das Fluorid-Anion, wobei es an Kathode und Anode jeweils zur Bildung eines Metallfluorids bzw. zu dessen Reduktion kommt. Da sich pro Metallatom mehrere Elektronen übertragen lassen, können sehr hohe Energiedichten erreicht werden – bis zu zehn Mal so hoch wie bei gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien. Ein erster Prototyp erreicht bei Spannungen von über 2,5 V eine Ladekapazität von über 300 mAh/g. Allerdings nur bei Temperaturen von etwa 150°C, weshalb als nächstes nach leitfähigen Elektrolyten zur Anwendung bei Raumtemperatur gesucht werden soll. Zudem halbiert sich gegenwärtig die Ladekapazität der Metallfluorid-Akkus schon nach wenigen Ladezyklen, weshalb es auch erforderlich ist, Materialdesign und Batteriearchitektur weiter zu optimieren.

Ein weiterer Schwerpunkt des KIT ist die Entwicklung neuer festkörperchemischer Verfahren zur Synthese funktioneller Nanokomposite für Konversionselektroden. Es gelingt dem Team, durch eine einfache Pyrolyse eine auf Eisenfluorid basierte Kathode herzustellen, die eine hohe Speicherkapazität und Zyklenstabilität aufweist.

Im April 2013 wird Maximilian Fichtner zum Professor für Festkörperchemie an der Universität Ulm ernannt und übernimmt am Helmholtz-Institut Ulm (HIU) die Leitung der neuen Forschungsgruppe ‚Materials I’, die sich vor allem mit der Erforschung neuer Batteriekonzepte beschäftigen wird, welche nicht auf Lithium basieren.

Bereits zuvor konnte am KIT gezeigt werden, daß das Prinzip des reversiblen Shuttles von einfach geladenen Anionen auch den Bau von sogenannten Chlorid-Ionenbatterien möglich macht, deren Materialeigenschaften die Perspektive bieten, noch höhere volumetrische Energiedichten zu erreichen. Daneben wird auch an einer Magnesium-Schwefel-Batterie gearbeitet (s.d.).


Fluor-Lithium-Batterie


Siehe unter Lithium-Fluor-Batterie.


Germanium-Batterie


Siehe unter Lithium-Germanium-Nanoröhrchen-Batterie.


Graphen-Batterie


Siehe unter Lithium-Graphen-Batterie.


Graphit-Batterie


Eine Graphit-Batterie gibt es bislang noch nicht – doch einen äußerst interessanten Ansatz, der in ihre Richtung verweist.

Im Juli 2012 berichten Materialwissenschaftler um Prof. Karl Schulte von der Universität Hamburg-Harburg (TUHH) und Prof. Rainer Adelung von der Universität Kiel, daß sie bei Experimenten mit Kohlenstoff-Nanoröhren auf ein Material gestoßen sind, das zu weniger als einem Prozent aus Kohlenstoff besteht – und sonst nur aus Luft. Unter einem Rasterelektronenmikroskop zeigen die pechschwarzen Partikel ihre Feinstruktur aus winzigen Kohlenstoffröhrchen, die dreidimensional miteinander verwachsen sind und eine Art Schwamm mit unzähligen Poren bilden, in denen Luft enthalten ist. Zieht man das Gewicht der Luft ab, wiegt der Röhrenverbund nur 0,2 mg/cm3 (zum Vergleich: Luft wiegt 1,2 mg/cm3. Enthielten die Poren ein Vakuum, würde das einfach davon schweben.

Der zu diesem Zeitpunkt leichteste Feststoff der Welt, den die Forscher Aerografit nennen, ist damit auch mehr als viermal leichter als der bisherige Weltrekordhalter, ein Röhrengeflecht aus Nickel und Phosphor, das 0,9 mg/cm3 wiegt. Im Unterschied zu diesem Stoff sind die Röhren des Aerografit porös – und unter anderem deshalb leichter. Von Graphen, dem dünnsten Material der Welt, das aus nur einer Lage Kohlenstoffatomen besteht und quasi zweidimensional ist, unterscheidet sich Aerografit im Wesentlichen durch seine Dreidimensionalität.

Während ultraleichte Materialien normalerweise Druck, aber nicht Zug aushalten können, zeichnet sich Aerografit durch eine hervorragende Stabilität bei Druck- und Zugbelastungen aus. Der Stoff läßt sich um bis zu 10 % auseinanderziehen oder um bis zu 95 % zusammenpressen und dann wieder in seine ursprüngliche Form bringen, ohne Schaden zu nehmen. Diese Belastbarkeit prädestiniert das Material für den Einsatz in Batterien, wo bei der Beladung mit Strom hohe Kräfte auftreten. Zugleich kann der Stoff dank seiner hohen Leitfähigkeit die Kapazität der Batterien erhöhen. Die Forscher erwarten, daß das Material in 10 bis 20 Jahren zur industriellen Anwendung kommen könnte.


Hybrid-Batterie


Der Elektriker und Erfinder Jan Petrus Human aus Somerset West in Südafrika meldet im März 2007 die Entwicklung und Patentierung einer Hybrid-Batterie, die gleichzeitig geladen und entladen werden kann – was m.W. bislang als unmöglich galt.

Human berichtet, er hätte sieben Jahre lang an seiner Entwicklung gearbeitet. Die Batterie sei skalierbar und das Hybrid-Prinzip könne in allen Batteriegrößen verwendet werden, von Handys über Fahrzeuge bis zu Netzspeichern.

Mit einer Bank aus 18 Batterien von jeweils 1.000 Ah Kapazität kann er sein Haus eine Woche lang komplett versorgen – ohne Aufladung, und nur mit der in ihnen gespeicherten Sonnenenergie aus der hauseignen PV-Anlage.

Der Erfinder hofft nun auf Anleger, um die Batterie vermarkten zu können - und Gerhard Ebersohn, ein Elektroingenieur an der Universität von Pretoria, erklärt sich bereit das neue Konzept zu bewerten.

Leider ist danach nie wieder über diese Innovation berichtet worden, auch Recherchen blieben bislang erfolglos. Die Australische Patentanmeldung von 2007 trägt die Nummer AU 2007335735 (vgl. WO-Nr. 2008/075317).


Kabel-Batterie


Im August 2012 veröffentlichen koreanische Wissenschaftler, die größtenteils an Universitäten des Landes, aber auch beim Elektronikkonzern LG Chem arbeiten, einen Bericht über die Entwicklung einer flexiblen Batterie, die in ein dünnes Kabel von nicht einmal 0,5 cm Durchmesser paßt, wobei man das Kabel sogar verknoten kann, ohne daß die Batterie dabei ausfällt.

Kabel-Batterie

Kabel-Batterie

Der Aufbau des biegsamen ,Batteriekabels’ ist relativ einfach: Die Anode in der Mitte gleicht einem spiralförmig gewickelten Draht, der von einer röhrenförmigen Kathode umgeben ist. Dabei besteht die federartige, flexible Anode aus mit Nickel-Zinn beschichteten Kupferdrähten, die um einen Stab gewickelt und dann gestreckt werden, um eine Hohlspirale zu ergeben. Die Eleganz des Designs besteht darin, daß der Elektrolyt leicht in der Batterie injiziert werden kann und sich ebenso leicht in den Elektroden verteilt. Vielleicht noch wichtiger ist, daß sich die Batteriekapazität durch die Anzahl der Kupferdrähte und die Dicke des Kathodenverbunds einfach vordefinieren läßt. Die vielseitigen Batterien können in Reihe oder parallel zueinander gewebt werden und dadurch nahezu jede Form (einschließlich Folien) mit genau gesteuerter Energiedichte annehmen.

Vorläufige Tests zeigen eine stabile Abgabeleistung, unabhängig vom Grad der Biegung und mit fast keiner Veränderung im Vergleich zum nicht gebogenen Zustand. Nach starken mechanischen Beanspruchungen messen die Forscher allerdings einen leichten Rückgang der Kapazität, weshalb noch weiteren Verbesserungen erforderlich sind. Daß sich gerade LG Chem so intensiv mit diesen Batterien beschäftigt ist verständlich – arbeitet man bei dem Konzern doch intensiv daran, mit einer flexiblen Display-Technologie einen Paradigmenwechsel herbeizuführen. Ist die Einschränkung der Steifigkeit erst einmal aufgehoben, könnten sich ganz neue Märkte eröffnen und das Gerätedesign zu einem noch wichtigeren Faktor als bislang machen.

Es verwundert daher nicht, daß im Oktober 2013 gemeldet wird, das Chemieunternehmen würde bereits an drei verschiedenen Batterien-Typen der Zukunft arbeiten, die als gestuft, gebogen und als Kabel-Batterien kategorisiert werden, wobei die erste Version bereits im Juli dieses Jahres an der Nanjing-Anlage in Massenproduktion gegangen ist, um das Smartphone LG G2 von LG Electronics mit Strom zu versorgen. Der Begriff gestufte Batterie bezieht sich dabei auf eine Bauweise, bei der zwei Batterien (oder mehr) übereinander gesetzt werden, um den verfügbaren Raum innerhalb elektronischer Geräte optimal zu nutzen, z.B. in den abgerundeten Ecken und Kanten. Die gebogenen Batteriepacks, die gekrümmte Screens oder flexible Designs wie Smartphones, Uhren und Brillen versorgen, gehen in diesem Monat in Produktion, während die Kabel-Batterien in den kommenden Jahren folgen sollen.


Kalium-Luft-Batterie


Ein Kalium-Ionen-Akku ist eine Batterie, die zum Ladungstransfer Kalium-Ionen (engl. Potassium) statt Lithium-Ionen nutzt. Ihre Entwicklung geht auf den iranisch-amerikanischen Chemiker Ali Eftekhari zurück (Präsident der American Nano Society), der 2004 die elektrochemisch hochstabile Kaliumverbindung Preußischblau (eine Verbindung aus Eisen und Cyanid) als Kathodenmaterial einführt. Ein Prototyp mit dem Elektrolyten KBF4 wird erfolgreich über Millionen von Zyklen verwendet. Im Vergleich zu Lithium-Batterien haben Kalium-Batterien zudem den Vorteil eines einfacheren Zellendesigns, nahezu alle gängigen Elektrolytsalze können verwendet werden, und die benötigten Materialien und verwendeten Verfahren für die Zellenherstellung sind billiger.

Im Jahr 2005 läßt sich die Firma Liquidmetal Technologies aus Lake Forest, Kalifornien, eine Kalium-Batterie patentieren, die den geschmolzenen Elektrolyten KPF6 verwendet (WIPO WO/2005/017219). Über Umsetzungen ist nichts auffindbar. Das chinesische Unternehmen Starsway Electronics Ltd. beginnt 2007 mit dem Vertrieb eines tragbaren Media-Players MP405B PMP, der mit einer Kaliumbatterie ausgestattet ist. Details in Bezug auf Akkulebensdauer, Ladezeiten oder Preis gibt es nicht – und inzwischen lassen sich auch keine Spuren mehr davon finden.

Wissenschaftler der Stanford University um Yi Cui melden im November 2011, daß sich Kalium-Batterien wegen ihrer außergewöhnlichen Zyklenfestigkeit besonders gut für große Energiespeicher einsetzen lassen. Die Kathode besteht aus handelsüblichen Materialien: kristalline Preußischblau-Nanopartikel, in denen die Hälfte des Eisens durch Kupfer ersetzt ist. Die Nanopartikel werden dann auf ein Kohlenstoffsubstrat aufgetragen, das in einer Elektrolytlösung aus Kaliumnitrat eingetaucht ist. Cuis Prototypen können nach 40.000 Zyklen noch 83 % ihrer ursprünglichen Ladekapazität halten. Die Effizienz der Kathode soll sogar 99 % betragen.

Im Februar 2013 berichten Forscher der Ohio State University (OSU) darüber, eine Kalium-Luft-Batterie (K-O2) mit geringer Überspannung entwickelt zu haben. Die Ladungs-/Entladungs-Potentiallücke kleiner als 50 mV bei einer Stromdichte von 0,16 mA/cm2 ist die bislang niedrigste, die in Metall-Sauerstoff-Batterien gemessen wurde. Dies ist deshalb so wesentlich, da die Energieeffizienz von Lithium-Luft-Batterien (Li-O2) durch hohe Überspannungen bei Entladungsreaktionen (Bildung von Li2O2) und Ladungsreaktionen (Oxidation von Li2O2) untergraben wird.


Kammler-Batterie


Unter diesem Namen kursieren seit vielen Jahren Berichte über eine Batterie, die noch immer ein Mysterium bildet. Der Name bezieht sich auf den SS Obersgruppenführer und General der Waffen-SS Dr. Ing. Hans Kammler, dem Leiter von Bau- und Rüstungsprojekten, der auch in die Geheimprojekte V1 und V2 sowie die bislang unbestätigten Flugscheiben involviert war. Die vermutlich 1998 aufgenommen Bilder dieser Batterien sollen aus dem Kammler-Nachlaß stammen.

Die Geschichte ist abenteuerlich: In den 1960er Jahren stößt ein tschechischer Schatzsucher in der Nähe von Prag auf das unterirdische Bunkersystem eines Versuchsplatzes in Stechovitz (Štěchovice) südwestlich von Prag, in dem er einen Koffer mit mehreren deutschen Kriegsbatterien findet, die keinerlei Beschriftung tragen und zunächst ganz normale Monozellen zu sein scheinen. Bei ihrer Verwendung (sie werden in Reihe geschaltet und speisen eine Lkw-Glühlampe, die einen Kellerraum erleuchtet) stellt sich aber heraus, daß sie praktisch ewig funktionierten. Sie sind anschließend über 30 Jahre lang im Einsatz und laden sich, nachdem die Glühlampe ausgeschaltet worden war, jeweils selbsttätig wieder auf.

Nach dem Ende des Ostblocks in den 1990er Jahren soll die erste nicht-private Untersuchung der Batterien und ihrer Eigenschaften durch ein großes Unternehmen im heutigen Tschechien erfolgt sein, dessen Name ich bislang allerdings noch nicht herausfinden konnte. Die Ingenieure sind in Bezug auf die Funktion der Batterie ziemlich ratlos, und auch ein tschechischer Chemiker, der viele Jahre lang in Privatinitiative daran arbeitet, hinter das Funktionsprinzip der Batterien zu kommen, bleibt erfolglos, denn bei dem Versuch, eine Batterie zu öffnen, explodiert diese.

Im Jahr 2010 versucht einer der Eigentümer der ‚ewigen’ Batterien zwei Exemplare für eine sechsstellige Summe zu verkaufen, hat jedoch keinen Erfolg, da ihm niemand glaubt, daß sie etwa 100 Jahre lang funktionieren und sich selbsttätig aufladen können.

Nach Rechercheinformationen, die mir privat mitgeteilt wurden, soll mit der Entwicklung der Batterien etwa 1937 begonnen worden sein. Es gab zwei verschiedene Batterievarianten mit gleichem Aussehen, wobei hier nur die sich selbsttätig aufladende Version von Interesse ist. Einer der bedeutendsten Männer, die damit zu tun hatten, war der österreichische PhysikerRonald Richter, der nachweisbar Ende der 1930er Jahre in Thüringen für die damaligen Suhler Waffenwerke in einer speziellen elektrotechnischen Abteilung arbeitete (und nach dem Krieg für den argentinischen Präsidenten Peron auf der Insel Huemul einen Fusionsreaktor bauen wollte. Das im März 1951 verkündete Projekt wurde jedoch durch US-amerikanische Drohungen sabotiert und nie verwirklicht).

Der US-Autor Henry Stevens geht wiederum davon aus, daß kein Geringerer als Prof. W. O. Schumann (Entdecker der Schumann-Frequenz) mindestens bis zum Jahr 1943 damit beschäftigt war, an der TU-München eine Batterie zu entwickeln und zu fertigen, die eine hohe Energiedichte aufwies und auch sehr tiefen Temperaturen standhalten konnte. Der Wirkungsverlust lag bei 1 % pro Jahr. Diese Batterien wiesen einen Innendruck von 3,5 Atmosphären auf und sahen wie normale Konstruktionen mit Stahlmantel aus, die äußerlich eine Kerbe nach Art einer Sollbruchstelle hatten. Die Bedeutung dieser Kerbe, die alle Batterien aufwiesen, ist allerdings unbekannt.

Das Batterie-Projekt wird aufgrund seiner Bedeutung ab 1939 von der SS koordiniert, und es gibt mehrere Generationen dieser Batterien, wobei die SS Exemplare nur für bedeutende wissenschaftlich-technische Projekte herausgibt. Gerüchteweise ist auch von einem Einsatz in U-Booten die Rede. Bislang verifiziert ist die Lebensdauer der Batterien, die mindestens 50 Jahre beträgt, bei sachgemäßer Behandlung aber auch die doppelte Zeitspanne erreichen dürfte. Die Systeme sind druckstabil, wärme- und kälteresistent und weisen einen Stahlmantel auf, der nicht oxidiert.

Unter der Vielzahl von Kommentaren, die sich in diversen Internet-Foren finden lassen, fand ich einen aus dem Psiram-Forum vom November 2012 besonders interessant. Hier wird darauf hingewiesen, daß man auf den Fotos eine Sicherungsschraube mit den sphärischen Einbuchtungen sieht, die nur mit einem seltenen Werkzeug gelöst werden kann. Solche Verschlußschrauben wurden seit langem dazu verwendet, um offene radioaktive Präparate vor unbefugtem Zugriff zu schützen. Daher könnte es sich bei der Kammler-Batterie um eine Isotopenbatterie nichtthermischer Bauart handeln, wie sie ab etwa 1913 entwickelt wurden. In diesem Fall sollte man sich aufgrund des hohen Radiumgehalts und der daraus resultierenden beachtlichen Strahlendosis davor hüten, der Batterie ohne Strahlenmeßgerät allzu nahe zu kommen. (Siehe dazu unter Nukleare Mikrobatterie).


Karpen-Batterie


Diese Batterie geht auf den rumänischer Ingenieur und Physiker Nicolae Vasilescu-Karpen zurück (1870 - 1964), der sich mit Telegrafie und Telefonie, Maschinenbau, Thermodynamik, Elektrochemie und anderem beschäftigt. Seine Karpen-Säule soll er im Jahr 1908 erfunden und 1922 unter dem Namen ‚Thermoelektrische Säule mit gleichmäßiger Temperatur’ (uniform-temperature thermoelectric pile) patentiert haben.

Karpen-Säule

Karpen-Säule

Im Jahr 1950 wird der erste Prototyp gebaut, der aus zwei in Reihe geschalteten Elektrosäulen und einem kleinen galvanometrischen Motor besteht. Die eine der beiden Elektroden ist aus Gold, die andere aus Platin, während als Elektrolyt hochreine Schwefelsäure eingesetzt wird. Der Motor bewegt einen Hebel, der mit einem Schalter verbunden ist. Mit jeder halben Drehung öffnet der Hebel den Stromkreis und schließt ihm mit Beginn der zweiten Hälfte. Die Umlaufzeit des Hebels war so errechnet worden, daß die Säulen Zeit haben um sich wieder aufzuladen, und daß sie ihre Polarität während der Zeit wieder aufzubauen, in welcher der Stromkreis offen ist. Der Zweck des Motors und des Hebels war zu zeigen, daß die Säulen tatsächlich Strom erzeugen, was heutzutage mit anderen Technologien möglich ist. Die Batterie wird in einem gesicherten Regal im Büro des Direktors des Technischen Nationalmuseum ‚Prof. Ing. Dimitrie Leonida’ in Bukarest aufbewahrt.

Als die rumänische Zeitung ZIUA (Der Tag) im Februar 2006 das Museum besucht, dürfen Spezialisten den Ausgang mit einem digitalen Multimeter messen: Es sind die gleichen 1 V, wie bereits 1950. Inzwischen arbeiten Mihai Dogaru von der Society for Promotion of Renewable, Inexhaustible and New Energies (SPERIN) und Mircea Dimitrie Cazacu vom Polytechnikum Bukarest an der Weiterentwicklung der Karpen-Batterie.


Keramik-Batterie

Auch eine solche Batterie gibt es noch nicht. Im August 2012 wird jedoch darüber berichtet, daß die Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) in Thüringen und das Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Hermsdorf gemeinsam ein Forschungszentrum gegründet haben, an dem neue Energiespeicher aus Keramik und Kunststoff bis hin zu ersten Prototypen entwickelt werden sollen, die deutlich schneller aufzuladen sind, eine höhere Speicherkapazität haben und länger halten als Batterien, die heute auf dem Markt sind.

Die Forscher am Zentrum für Energie und Umweltchemie (Center for Energy and Environmental Chemistry Jena – CEEC Jena) wollen sowohl kleine, leistungsfähige Batterien entwickeln, die in kürzester Zeit aufgeladen werden können, als auch Stromspeicher in der Größe von Überseecontainern mit einer Leistung von mehreren 100 kW bis einigen Megawatt. Wichtigstes Ziel ist es, daß die Batterien neben einem hohen Wirkungsgrad eine Lebensdauer von zehn Jahren und länger haben. Zudem sollen die Batterien fast ohne Metall auskommen, denn Akkus aus Kunststoff sind in der Herstellung kostengünstig, leichter und letztlich auch einfacher wiederzuverwerten.

Das neue Zentrum erhält bis Herbst 2015 einen 14,5 Mio. € teuren Forschungsneubau in Jena, der aus Geldern der Ernst-Abbe-Stiftunge (10 Mio. €) und der Carl-Zeiss-Stiftung (4 Mio. €) sowie des Landes Thüringen (0,5 Mio. €) finanziert wird, das auch das Grundstück im Landgrafenviertel beisteuert.

Im Mittelpunkt der Forschungen stehen dabei drei unterschiedliche Batterietypen: auf kohlenstoffhaltigen Polymeren basierende Organische Radikalbatterien (ORB) für geringere Energiemengen, sowie Redox-Flow-Batterien und Hochtemperatur-Batterien wie z.B. Natrium-Schwefel-Batterien für die Speicherung von großen Strommengen. Für die ORBs werden am Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der FSU bereits die entsprechenden polymeren Materialien entwickelt, die es erlauben, diese Batterien per Tintenstrahl- oder Siebdruckverfahren herzustellen.

Die Forschergruppe ‚Neue keramische Materialien für effiziente Energiespeicher’ des IKTS fokussiert sich derweil primär auf industrielle Stromspeicher, die auf keramischen Prinzipien beruhen, und sichert sich damit eine nahezu europaweite Alleinstellungsposition. Es ist hier bereits gelungen, innovative keramische Elektrolyte zu synthetisieren bzw. aus kommerziellen Materialien herzustellen.


Kupferschaum-Batterie

 

Ein 2009 gegründete Spin-off-Unternehmen der University of Colorado namens Prieto Battery Inc. in Fort Collins arbeitet an einer neuen Batterie-Technologie, die auf einer echten dreidimensionalen Feststoff-Architektur basiert. Die toxischen Materialien herkömmlicher Energiespeicher werden durch gewöhnliche Substanzen wie Zitronensäure ersetzt, und statt eines Elektrolyts wird ein galvanischer Überzug genutzt. Der Feststoff-Elektrolyt fungiert dabei gleichzeitig als elektronischer Isolator und Lithium-Ionen-Leiter.

Mitbegründer des neuen Unternehmens ist Cenergy, die im Jahr zuvor geschaffene Kommerzialisierungs-Abteilung für Saubere Energie der Universität, die damit erstmals in Erscheinung tritt, und die (unbezifferte) Startfinanzierung erfolgt durch die Bohemian Asset Management in Fort Collins.

Im Bereich der Kapazität, Haltbarkeit und Ladegeschwindigkeit soll der neue Energiespeicher, der als eine bahnbrechende Weiterentwickelung der Lithium-Ionen-Akku-Technologie, betrachtet wird, beträchtliche Steigerungen aufweisen. Erreicht wird die höhere Energiedichte insbesondere durch die 3D-Struktur des Kupferschaums, der die wirksame Oberfläche im Vergleich zu herkömmlichen Batterien um den Faktor 60 erhöht. Die bisherigen Li-Ion-Batterien schicken die Ionen in nur eindimensionaler Bewegung über eine zweidimensionale Ebene durch einen Elektrolyt zwischen Anode und Kathode hin und her. Beim dem neuen Solid-State-Akku greifen Anode und Kathode dagegen ineinander, wobei die so erzeugte, größere Oberfläche die Bewegung der Ionen in alle Richtungen bei gleichzeitiger Reduktion des Diffusionswegs ermöglicht. Bei der Herstellung werden mit Hilfe eines Elektropolymerisationsprozesses auf den Kupferschaum eine dünne Anoden- sowie die galvanische Elektrolytschicht aufgetragen, wobei die Hohlräume mit einer kathodischen, gelartigen Substanz aufgefüllt werden, die anschließend getrocknet wird. Die Anodenschicht besteht aus Kupfer-Antimon-Nanoröhrchen (Cu2Sb), während der Strom auf der Kathodenseite von einer Struktur aus Aluminiummaschen gesammelt wird. Damit kommt der komplette wasserbasierte Herstellungsprozeß ohne giftige Stoffe aus.

Nach Angaben der an der University of Colorado tätigen Firmengründerin Prof. Amy L. Prieto, die sieben Jahre an der Entwicklung gearbeitet hat, weist die Batterie aufgrund der größeren Oberfläche eine volumetrische Leistungsdichte von 14 kW/l auf, während die Energiedichte 650 Wh/l betragen soll. Sie kann theoretisch 1.000fach schneller aufgeladen werden als Li-Ion-Batterien, was bei einem Elektrofahrzeug ein komplettes ‚Auftanken’ in rund 10 bis 20 Minuten bedeuten würde (bei 240 V). Der erste Prototyp von der Größe einer Handy-Batterie, einer Ladezeit von 12 Minuten und einer Beständigkeit über 5.000 Zyklen soll noch im Laufe des Jahres vorführbereit sein, wobei die Herstellungskosten etwa die Hälfte der in China produzierten herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien betragen sollen.

Es gelingt dem Unternehmen, bis Mai 2012 von verschiedenen (ungenannten) Interessenten 5,5 Mio. $ Investitionsmittel einzusammeln. obwohl man eigentlich auf 6,8 Mio. $ gehofft hatte. Im Juli erhält Prieto für ihre Arbeit den Presidential Early Career Award des Weißen Hauses, und im September beginnen Batterietests bei unabhängigen, dritten Seiten.

Als im Dezember 2013 das Amt für Wirtschaftsförderung und Außenhandel in Colorado fast 3 Mio. $ an Zuschüssen verteilt, erhält die Prieto Battery 150.000 $. Nun ist geplant, einige Komponenten der 3D-Batterien im nächsten Jahr, und die Gesamtbatterie dann im Frühjahr 2015 in den Handel zu bringen.


Lanthan-Nickel-Batterie

Lanthan-Nickel-Batterien bilden einen großen Durchbruch in der Speichertechnologie, da sie auf kleinerem Raum mehr Leistung liefern und etwa doppelt so effizient sind wie Standard-Blei-Säure-Autobatterien.

Lanthan ist eine intermetallische Komponente von Nickel-Metallhydrid-Akkus, wie sie bereits von mehreren Herstellern elektrischer Automobile, in Laptops und anderen tragbaren elektronischen Geräten eingesetzt werden. Die Batterien, wie sie in der derzeitigen Generation von Hybridautos zum Einsatz kommen, enthalten 5 – 30 kg Lanthan. Dies ist jedoch weitgehend unbekannt, da die Autobatterien fast ausnahmslos als Nickel-Metallhydrid-Batterien bezeichnet werden – ohne daß darauf hingewiesen wird, daß es sich bei dem ‚Metall’ um Lanthan handelt. Dieses wird übrigens auch als Komponente der Speichermaterialien bei Wasserstoff-Brennstoffzellen eingesetzt, die das bis zu 400fache ihres eigenen Volumens an Wasserstoff-Gas in einer reversiblen Adsorption speichern können (s.d.).

Im Juli 2001 berichten die US-Fachblätter, daß Wissenschaftler am Brookhaven National Laboratory (BNL) durch einen Fehler bei der Herstellung einer Metallmischung auf die Formel eines neuen Akkus mit längerer Lebensdauer gebracht worden sind, die sie sich auch sofort patentieren lassen (US-Nr. 6.238.823, beantragt 1998). Die Arbeit wird durch das US Department of Energy finanziert.

BNL-Patent

BNL-Patent

Die Forscher um James J. Reilly hatten an einem neuen Batterie-Typ aus den Metallen Lanthan, Nickel und Zinn gearbeitet, da sich eine Legierung dieser Metalle beim Laden und Entladen der Batterie nicht so stark verformt wie andere Kombinationen, und sich daher auch bei vielen Ladezyklen wesentlich korrosionsbeständiger als herkömmliche Batterien erweist. Als sie bei ihren Experimenten fälschlicherweise etwas zuviel Nickel und Zinn verwenden, so daß das Verhältnis der Atome nicht mehr 1 Lanthan- zu 5 Nickel- oder Zinn-Atomen, sondern 1 zu 5,157 wurde, bewirkt dieser kleine Unterschied einen großen Unterschied in der Leistung.

Eine Reihe weiterer Experimente bestätigt, daß die entstandenen Elektroden beim Einsatz in Nickel-Metallhydrid-Batterien (Ni-MHx), den gegenwärtig meist verbreiteten Akkus, eine höhere Speicherkapazität aufweisen und auch noch formstabiler sind. Die Legierung selbst basiert auf einer klassischen Formel bei Ni-MHx-Batterien, die aus einem quaderförmigen Gitter mit Lanthan-Atomen an den Ecken und Nickel auf der Innenseite besteht. Auf der Abbildung aus dem o.g. Patent ist das Schema der hexagonalen Gitterstruktur einer CaCu5-Legierung mit LaNi5 zu sehen. Da die Legierung kein teures Kobalt enthält, wie viele andere Ni-MHx-Batterien, und auch kein giftiges Cadmium, wie in Nickel-Cadmium-Akkus, gilt sie als preiswert und relativ umweltfreundlich.

Die Elektrode arbeitet durch das Speichern von Wasserstoffatomen (aus dem Elektrolyt) in den Räumen zwischen den Metallatomen während des Ladens, und ihrer Freisetzung in den Elektrolyt während der Entladung. Die zusätzlichen Wasserstoffatome haben allerdings einen negativen Effekt: Sie bewirken, daß sich das Kristallgitter beim Laden erweitert, und beim Entladen wieder zusammenzieht, was sich in jedem Lade/Entlade-Zyklus wiederholt und die Legierung in kleine Partikel pulverisiert, die weitaus anfälliger für Korrosion sind. Aus diesem Grund lassen sich Batterien auch nicht unendlich viele Male wieder aufladen.

Bei Untersuchungen mit Hilfe des Synchrotrons am BNL gelingt es herauszufinden, wo die zusätzlichen Atome landen. Man stellt fest, daß einige der Lanthan-Atome an den Würfelecken von ‚Hanteln’ aus zwei Nickelatomen ersetzt wurden, was die Struktur zwar kompakter macht, aber auch ihre Wasserstoff-Speicherkapazität senkt – und damit auch ihre anfängliche Ladekapazität in Bezug auf die klassische 1:5 Formel. Gleichzeitig verringert es jedoch die Tendenz der Legierung zu korrodieren, und erhöht somit ihre Lebensdauer. Das Ergebnis ist, daß die langfristige Energiespeicherkapazität dieser neuen Legierung, die je nach Reinheitsgrad 25 – 100 $/kg kostet, die der Kobalt-Legierungen in kommerziellen Batterien signifikant überschreitet.


Im September 2013 berichten Forscher des Korea Institute of Energy Research und der Chonnam National University, daß sie dotiertes Lanthan-Nickel (La2NiO4) mit einer geschichteten Perowskit-Struktur erfolgreich als effizienten bifunktionellen Elektrolatalysator für die Sauerstoffreduktion und -bildung an einer Luftelektrode in einem wässrigen alkalischen Elektrolyten eingesetzt haben. Die Struktur von La2NiO4 kann als eine Art ‚Verwachsung’ von Schichten aus LaO (Kochsalz-Struktur) und Schichten des Perowskits LaNiO3 beschrieben werden. Wieder aufladbare Lithium-Luft- und Zink-Luft-Batterien, die mit diesen Katalysatoren arbeiten, weisen eine verbesserte Effizienz, merklich reduzierte Entlade-/Ladespannungslücken sowie eine hohe Zyklen-Stabilität auf.

 


Neben den hier präsentierten Batterien und Akkumulatoren empfehle ich den Lesern einen Blick auf den Bereich der elektrischen Mobilität, da dort viele verschiedene Einsatzbeispiele für diese Technologien aufgeführt werden, die weit über die reinen Elektromobile hinausgehen.


Weiter mit den verschiedenen Batterie- und Akkumulatorentypen...