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Sie stecken in Handys, Notebooks und Kameras, aber auch in Elektroautos oder der Elektronik von Flugzeugen: Lithiumionen-Akkus bilden die Grundlage fast aller mobilen Stromspeicher der modernen Technikwelt. Denn diese Akkumulatoren sind leicht, besitzen aber trotzdem eine relativ hohe Energiedichte und können unzählige Male auf- und wieder entladen werden.
Doch so praktisch und allgegenwärtig die Lithium-Ionen-Akkus auch sind – sie haben auch erhebliche Nachteile. So werden für ihre Komponenten Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und andere Metalle benötigt, die weltweit zunehmend knapp und teuer werden. Zudem ist die Gewinnung dieser Rohstoffe und auch die Entsorgung der Batterien wenig umweltfreundlich. Sie sind wegen ihres Gehalts an Schwermetallen und giftigen Elektrolytlösungen Elektroschrott, der gesondert behandelt werden muss.
Washington State University
Stromlieferanten aus Kochsalz und Altglas
Inzwischen tüfteln daher Wissenschaftler weltweit nach "grüneren" Alternativen zu den gängigen Batterien – und haben schon einige vielversprechende Ansätze entwickelt. So arbeiten einige Forscher daran, das knappe Lithium durch Natrium zu ersetzen – ein im Kochsalz oder Meerwasser reichlich vorhandenes Element. Sogar den Elektrolyten, die Flüssigkeit, die den Ladungstransport in der Batterie übernimmt, kann man durch Natriumverbindungen ersetzten – im Prinzip läuft dieser Akku dann mit Salzwasser.
Eine andere Variante sind Batterien, die statt Lithium das in der Elektronik ohnehin schon häufig genutzte Halbleitermaterial Silizium verwenden. Kombiniert mit Kohlenstoff, Nickel und einem ungiftigen Elektrolyten aus Kaliumhydroxid und Wasser entsteht daraus eine sogenannte Silizium-Luft-Batterie. Noch hapert es bei ihr daran, dass der Elektrolyt beim Entladen verloren geht und nachgefüllt werden muss. Aber die Wissenschaftler arbeiten bereits daran, das System weiter zu optimieren.
Noch nachhaltiger ist eine Idee von US-Forschern der University of California – Riverside: Sie gewinnen das Rohmaterial für ihre Silizium-Knopfzellen aus Altglas. Dafür sammeln sie alte Glasflaschen, die sie zu einem extrem feinen Nano-Pulver zermahlen. Weil Glas nichts anderes ist als Siliziumdioxid, muss dieses nur noch unter Hitze und Magnesiumzugabe zu Silizium reduziert werden und kann dann als Elektrode eingesetzt werden. In ersten Tests waren diese Knopfzellen aus Altglas konventionellen Batterien in puncto Leistung sogar überlegen.
University of California – Riverside
Eine Batterie aus Papier
Während diese Ansätze in erster Linie das Problem der Rohstoffe lösen wollen, gibt es auch Wissenschaftler, die die Entsorgung und biologische Abbaubarkeit von mobilen Stromlieferanten im Blick haben. So hat ein Forschungsteam der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt eine Batterie entwickelt, die größtenteils aus Papier besteht – und sich daher in der Umwelt leicht zersetzt. Der Clou dabei: Das Paper ist mit Kochsalz versetzt, das bei Befeuchten des Papierstreifens zum Elektrolyten wird. Die Elektroden der Batterie bestehen aus Zink- und Kohlenstoffpulver, die in Form einer Tinte einfach aufgedruckt werden.
Solange sie feucht ist, kann diese Papierbatterie immerhin bis zu 1,2 Volt Spannung erzeugen. Die von ihr bereitgestellte Energie reicht aus, um beispielsweise kleine Sensoren, RFID-Tags oder auch LEDs mit Strom zu versorgen. Besonders geeignet wäre sie unter anderem für Umweltuntersuchungen, bei denen Sensoren im Boden oder der Vegetation für eine begrenzte Zeit Daten sammeln und übertragen sollen: Ist die Aufgabe getan, kann die Batterie einfach in der Umwelt bleiben.
Kompostierbarer Mini-Kondensator
Ähnliches funktioniert auch mit einem neuartigen Mini- Superkondensator – einem Stromspeicher, der zwar eine geringere Energiedichte als ein gängiger Akku hat, aber dafür haltbarer ist und sich schneller laden und entladen lässt. Er besteht im Prinzip aus wenig mehr als Kohlenstoff, Zellulose, Glycerin und Kochsalz und kann wie die Papierbatterie eine Spannung von 1,2 Colt erzeugen. Die Besonderheit des kleinen Stromspeichers ist jedoch seine Abbaubarkeit: Wenn man ihn nicht mehr braucht, kann man ihn in den Kompost werfen oder einfach in der Natur zurücklassen. Denn diese Öko-Batterie ist ungiftig und umweltverträglich. Nach spätestens zwei Monaten ist sie vollständig verrottet.
Noch können all diese alternativen Batteriekonzepte nicht mit der Leistung und vielseitigen Anwendbarkeit der Lithium-Ionen-Akkus mithalten. Aber die Wissenschaftler tüfteln weiter und sind zuversichtlich, dass wir in Zukunft bessere und vor allem umweltfreundlichere Stromlieferanten haben werden.
