Forscher stellen neue Batterie vor: Kein Lithium, günstig, leistungsstark, aber allergisch gegen Sauerstoff

Bis wir allerorts Batterien mit Kernsubstanz nutzen, werden sicherlich noch einige Jahre Strom durchs Netz fließen. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Manche Idee braucht Jahrzehnte, um zu reifen. Einst in den 1960er Jahren bei Ford in den USA ersonnen, getestet und schließlich verworfen, beleben chinesische Forscher jetzt das Konzept für eine Natrium-Schwefel -Batterie neu. Dafür gibt es gute Gründe.

Ein solcher Stromspeicher hat sowohl wirtschaftlich, ökologisch als auch technisch einiges zu bieten – und ein Kernproblem gilt als erstmals gelöst: Der Speicher muss nicht bei 350 Grad Celsius innerlich glühen, um Strom zu liefern.

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Deutlich mehr Leistung und geringerer Preis

Die in Nature erschienene Studie eines Teams von Forschenden aus Shanghai beschreibt Konstruktion und erfolgreiche Tests einer bahnbrechenden Batterie: hochvoltig und auf Basis von Natrium und Schwefel – und das alles bei Zimmertemperatur. Nur deshalb lohnt sich aus Sicht von Forschung und Industrie der Griff nach dem Potenzial dieser Technik.

Dank der effizienteren Chemie von Schwefel und Natrium wiegen die Zellen bei gleichzeitig deutlich höherer Leistung weniger als aktuelle Batterien. Wie viel exakt, entzieht sich derzeit jeder seriösen Angabe. Derzeit erreichen die Forscher im Labor einen Wert von 2.021 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Kommerzielle Lithium-Ionen-Zellen kommen auf rund 250–300 Wh/kg.

Doch so einfach ist das nicht: Die herkömmlichen Akkus schleppen einiges an notwendigem Extragewicht mit – dieses sparen sich die Prototypen im Labor. Hier verrichtet nur die minimal notwendige Hardware ihren Dienst als nacktes Gerüst. Es fehlt aber an etlichen Komponenten, die eine Batterie im Alltag braucht, zum Beispiel das Gehäuse – nichtsdestoweniger ein großer Fortschritt.

Abseits der Leistung besticht die Technik allerdings auch durch Verzicht, nämlich auf Lithium. Seine Gewinnung erfordert grobe Eingriffe in die Landschaft und enormen Energieaufwand. Der Abbau gilt als umweltgefährdend, so zum Beispiel durch Zerstörung von Lebensräumen sowie den schieren Gebrauch großer Mengen von Grundwasser.

Schwefel kommt weltweit vor und ist entsprechend günstig, gleiches gilt für Natrium. Den Kostenvorteil schätzen die Forscher als erheblich ein. Wie hoch hängt indes von derzeit noch nicht final absehbaren Faktoren ab. Aber industriell hergestellt, läge der Preis deutlich unter dem von Lithium-Akkus.

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Zauberstoff: Schwefeltetrachlorid

Allen voran die im Vergleich zu früher extrem niedrige Betriebstemperatur zementiert den fundamentalen Durchbruch. Denn bisherige Batterien dieser Art taugten nur für Spezialzwecke – meistens industrielle Großspeicher. Es brauchte enorme Hitze von 300 bis 350 Grad Celsius, damit die Chemie Elektrizität aufnahm oder wieder abgab.

Ferner lösten die Forscher ein weiteres lange gefürchtetes Problem der Schwefelbatterie, nämlich die niedrige Spannung bei der Entladung. Einfach ausgedrückt, brauchte es hierfür im Inneren der Zellen zusätzliches Natrium, um den marktbeherrschenden Lithium-Ionen-Zellen nahezukommen.

Der Kniff heißt Schwefeltetrachlorid: Es entsteht im Zuge der Kette an chemischen Reaktionen im Inneren der Zelle, bei der sich alles um eine Anlagerung von Natrium auf einer Aluminiumfolie dreht. Der reagierende Schwefel liefert die hierfür notwendige Spannung. Beim Entladen dreht sich das Prinzip um: das Natrium löst sich von der Folie.

Der lange Weg aus dem Labor auf den Markt

Bei allem begründeten Optimismus liegen derweil noch Jahre vor dem ersten Betrieb im Alltag. Schwefel wird nach unserer Einschätzung vor den 2030ern wohl kaum in der Breite im Einsatz sein. Deutlich schneller plant eine Forschungsfabrik in Münster ihr Produkt auf den Markt zu bringen: die erste rein europäische Batterie.

Denn obschon das Schwefeltetrachlorid als Geheimwaffe die Batteriezelle erst ermöglicht, belastet es auch ihre Tauglichkeit. Sie hemmt nämlich durch eine entscheidende Eigenschaft: Es zersetzt sich bei Kontakt mit Sauerstoff und gilt somit als schwer handhabbar.

Ein Test mit Kontakt zur sauerstoffhaltigen Umwelt ließ einen kleinen Testakku 20 Minuten lang eine LED-Lampe betreiben, ehe sich seine Struktur verfestigte und der Stromfluss abbrach. Allerdings beschwichtigte diese vergleichsweise kurze Probe die Sorgen seiner Schöpfer: Die Batterie arbeitete anfänglich auch beschädigt ohne Kurzschluss oder thermisches Durchgehen. Es flogen also weder Funken, noch begann sie unter eigener Hitzelast zu schmelzen oder zu brennen.

Derzeit muss die neue Technik trotz aller bisherigen Erfolge im Labor beweisen, dass sie wirklich für die Elektronik von Milliarden taugt.