Die Fortschritte bei der Batterie bewegen sich möglicherweise nicht so schnell wie bei Computerchips, bei denen das 50-jährige Prinzip, das als Moores Gesetz bekannt ist, besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Es gelten jedoch ähnliche Grundsätze, die die Kosten senken und die Leistung der Batterien in nahezu jedem Telefon, Laptop und Elektrofahrzeug verbessern können.

Und es gibt ein ähnliches Problem für beide Technologien, da die Struktur der Materie selbst besagt, dass Computerchips und Batterien in ihrer gegenwärtigen Form so weit wie möglich gegangen sind.

„Irgendwann werden Sie an die grundlegenden Grenzen stoßen und dann auf neue Materialien umsteigen müssen“, erklärt der Batterieforscher Venkat Srinivasan, dessen Gruppe am Gemeinsamen Zentrum für Energiespeicherforschung des Argonne National Laboratory forscht nicht nur Möglichkeiten zur Erweiterung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie, sondern auch das, was Srinivasan als „Sprungbrett“ bezeichnet. Dies sind völlig neue Energiespeicherchemien, mit denen Batterien auf einmal um Jahre vorgerückt werden können.

Eine der vielversprechenderen Möglichkeiten zur Verbesserung der vorhandenen Lithium-Ionen-Batterie ist die sogenannte Festkörperbatterie. Das derzeitige Design von wiederaufladbaren Batterien ist eine Mischung aus festen und flüssigen Komponenten: Es gibt die feste Anode und Kathode, einen festen Separator, um diese beiden auseinander zu halten, und einen flüssigen Elektrolyten, durch den sich die Lithiumionen bewegen.

Der Hauptnachteil dieses Designs besteht darin, dass die interne Struktur flüchtig sein kann, wie der Fall des explodierenden Galaxy Note 7 Anfang dieses Jahres gezeigt hat. Während dieser spezielle Fall durch einen Herstellungsfehler verursacht wurde, ist der flüssige Elektrolyt der Grund für alle explosiven Reaktionen in Lithium-Ionen-Batterien.

„Der flüssige Elektrolyt ist ein Problem, denn wenn er zu heiß wird, entzündet er sich“, sagt Greg Less, Senior Manager des Batterielabors der University of Michigan. „In einer Festkörperbatterie sind Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt dasselbe und sie sind fest. Das reduziert die Entflammbarkeit des Elektrolyten auf Null und ermöglicht energiereichere Technologien wie die Lithiummetallanode. “

Gegenwärtige Lithium-Ionen-Batterien verwenden Graphit als Material für ihre Anode, die zusammen mit der Kathode eine der beiden Elektroden ist, zwischen denen der Strom fließt. Die Energiedichte des Graphits ist gut, so dass die Anode für jeweils sechs Kohlenstoffatome des Graphits ein Lithiumion enthält. „Wenn Sie diesen Graphit entfernen und Lithiummetall einfüllen, können Sie ihn auf einmal verdoppeln“, sagt Srinivasan.

Eine radikalere Abkehr von der herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie könnte jedoch einen noch größeren Effekt haben. „Wenn Sie so etwas wie Lithium-Schwefel verwendet haben, können Sie diese Zahl wahrscheinlich verdreifachen. Diese neuen Materialien bieten einige wesentliche Vorteile “, sagt Srinivasan.

Eine Lithium-Schwefel-Batterie hat eine Schwefelkathode und eine Lithiumanode. Schwefel ist faszinierend, weil er eine so höhere Energiedichte aufweist, als dies bei aktuellen Batterien möglich ist, und die reichliche Versorgung mit Schwefel in der Welt bedeutet, dass die Verwendung von Batterien billig sein könnte.

Aber es gibt ein kleines Problem: Schwefel leitet keinen elektrischen Strom. Aus diesem Grund erfordern aktuelle Designs normalerweise eine Kohlenstoffbeschichtung, um die Bewegung von Lithiumionen zu ermöglichen.

Diese Lösung hat nicht ausgereicht, um das Leitfähigkeitsproblem vollständig zu lösen, und dies war die große Hürde für die Kommerzialisierung von Lithium-Schwefel- und Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien. „Wir erwarten von unseren Batterien eine bestimmte Leistung, und diese Leistung hängt davon ab, wie schnell sich die Ionen bewegen können“, sagt Less.

Die hohe Energiedichte von Festkörperbatterien könnte die Reichweite von Elektrofahrzeugen um Hunderte von Kilometern erhöhen, aber erst vor kurzem haben Forscher begonnen, das Leitfähigkeitsproblem voranzutreiben.

„Niemand möchte die Leistung seines Elektrofahrzeugs beeinträchtigen, bis die Ionenleitfähigkeit des Feststoffs viel, viel höher ist“, sagt Less. "Das Engineering muss einspringen und herausfinden, wie eine wirtschaftlich tragfähige Leistung erzielt werden kann."

Eine andere Möglichkeit besteht darin, Lithium als Hauptmaterial in wiederaufladbaren Batterien aufzugeben. Was wäre, wenn man einfach eine Zeile im Periodensystem von Element Nummer drei, Lithium, zu Element Nummer 11, Natrium, nach unten gehen würde?

"Das Schöne an Natriumionen ist, dass Natrium überall ist", sagt Less. "Es ist günstig. Wir müssen nicht zu abgelegenen Orten gehen, um es wie Lithium abzubauen. Wir können es einfach aus dem Salzwasser ziehen. “

Wie bei Schwefel würde die Fülle an Natrium es zu einer viel kostengünstigeren Alternative zu unseren derzeitigen Batterien machen, vorausgesetzt, es könnte der Leistung entsprechen. Natriumionenbatterien teilen jedoch die chemische Flüchtigkeit ihrer Gegenstücke auf Lithiumbasis, was bedeutet, dass sich eine anfänglich ermutigende Leistung schnell verschlechtern könnte.

Auch das ist kein unmögliches Problem. Lithium-Ionen-Batterien hatten ähnliche Probleme wie vor Jahrzehnten. Die Lösung erfordert jedoch ein viel genaueres Verständnis der Mikrostruktur der Batterie als bisher.

Einige der fortschrittlichsten Batterieforschungen finden im Brookhaven National Laboratory auf Long Island statt. Dort haben die Physikerin Jun Wang und ihr Team ultraleichte Röntgenstrahlen verwendet, um die interne Struktur von Natriumionenbatteriedesigns zu untersuchen.

Da Natrium einen größeren Atomradius als Lithium hat, besteht eine Sorge darin, dass die konstante Bewegung von Natriumionen schwerwiegendere Missbildungen innerhalb der Elektroden hervorrufen würde. Aber Wangs Arbeit hat gezeigt, dass dies nicht der Fall ist. Nach dem anfänglichen Lade- und Entladezyklus konnte die gesamte Struktur ein Gleichgewicht erreichen.

„Dieses Ergebnis könnte eine Revolution in der Batterieforschung bedeuten“, sagt Wang, „mit Auswirkungen auf die Entwicklung billiger, effizienter Natriumionenbatterien. Dieses Ergebnis ist für die Natriumionenbatterien vielversprechend. “ Sie betont jedoch, dass die Sicherheit ein Hauptproblem bei jeder Vermarktung der Natriumionenbatterie ist, genau wie bei Lithiumionen.

Was wäre, wenn wir nicht nur ein oder zwei Zeilen im Periodensystem nach unten gehen würden, sondern auch über eine Spalte? Da ein Lithium- oder Natriumatom nur ein Ersatzelektron in seiner äußersten Hülle hat, ergibt der Verlust dieses Elektrons zur Erzeugung eines Ions eine Ladung von +1. Elemente wie Magnesium und Kalzium haben jedoch zwei Elektronen in der Außenhülle, was bedeutet, dass ihre Ionen eine Ladung von +2 haben würden.

„Wenn Sie die Ladung verdoppeln, verdoppeln Sie im Wesentlichen das Ladevolumen pro Gewicht und Volumen“, sagt Srinivasan. „Es ist viel weiter draußen. Aber der springende Punkt ist, dass es ein Sprung ist, wenn Sie es schaffen können. “

Viele Fragen müssen geklärt werden, bevor ernsthafte Fortschritte bei Batterien auf Magnesium- oder Kalziumbasis erzielt werden können. Selbst grundlegende strukturelle Fragen bleiben unbeantwortet, z. B. welche Kathodenmaterialien Magnesium aufnehmen könnten oder welchen Elektrolyten eine solche Batterie verwenden würde. Aber natürlich mussten die Pioniere der Lithium-Ionen-Batterie vor 30 Jahren fast dieselben Fragen beantworten.

"In gewisser Hinsicht ist es eine natürliche Entwicklung", sagt Srinivasan. „Wir werden nicht die gleichen 30 Jahre brauchen, weil wir so viel darüber gelernt haben, wie man Materialien findet und warum sie versagen. Wir müssen nur diese Entwicklung durchlaufen. “

Und es ist zu beachten, dass Lithium-Ionen-Batterien nicht das A und O für die Energiespeicherung sind und dass ihre potenziellen Nachfolger nicht jedes Problem lösen müssen, um nützlich zu sein. Um dies zu veranschaulichen, wies Less darauf hin, dass Automobilhersteller eine Lithium-Ionen-Batterie als Starterbatterie für normale nichtelektrische Autos verwenden könnten. Warum also nicht?

"Für die Mehrheit von uns, die nicht mit dem Indy 500 fahren, bei dem jede Unze zählt, ist Bleisäure in Ordnung", sagt Less. „Wir brauchen es nicht, um kleiner und leichter zu sein. Wir brauchen es nur, um den Starter zuverlässig umzudrehen, wenn wir den Schlüssel drehen. “ Ebenso benötigen TV-Fernbedienungen keine Lithium-Ionen-Batterien, sagt Less: „Ich erinnere mich nicht an das letzte Mal, als ich die AA in unserer Fernbedienung gewechselt habe. Es ist eine gute Lösung. “

Lithium-Ionen-Batterien waren in letzter Zeit revolutionär, weil sie klein und leicht sind und eine Leistung von Hunderten oder sogar Tausenden von Zyklen haben. Sie sind nicht die Lösung für jedes Problem, aber sie haben Telefone, Laptops und Elektrofahrzeuge, wie wir sie jetzt kennen, möglich gemacht.

Wenn wir herausfinden wollen, wie die Zukunft all dieser Geräte aussehen wird, benötigen wir Batterien, die sie entsperren können. Wenn Lithium-Ionen nicht mehr die Antwort ist, ist dies möglicherweise eine dieser neuen Batterietechnologien.