Die Entwicklung der Energiespeicherung:

Geschichte der Batterien

Batterien im alltäglichen Leben

Batterien sind im Alltag so allgegenwärtig geworden, dass man sich kaum noch eine Zeit vorstellen kann, in der es die mobilen Energiespeicher nicht gab. Für tragbare elektrische Geräte wie Taschenlampen, Radios oder Fernbedienungen werden jährlich weltweit über 15 Milliarden Batterien verkauft, Tendenz steigend. Die Akkutechnologie, die in digitalen Geräten wie Kameras, Handys und Laptops zum Einsatz kommt, hat in den letzten Jahren jedoch massive Entwicklungssprünge gemacht, wobei gleichzeitig die Produktionsmengen drastisch gestiegen sind. Die vielleicht größten Sprünge in der Batterietechnologie, und von besonderer Bedeutung für unsere Umwelt und die Zukunft der globalen Ökosysteme, kommen aus der Automobilindustrie in Form von Hybridautos und Elektrofahrzeugen – von denen die meisten mit Lithium-Ionen-Batterien aufgeladen werden. Der Weg zu unserem heutigen Wissensstand über Batterien war lang und begann eigentlich schon vor über 200 Jahren!

Die Galvanische-Zelle

Den Grundstein für die Erfindung der heutigen Batterien legte Luigi Galvani im Jahr 1780, ein italienischer Arzt, der zufällig entdeckte, dass sich Muskeln zusammenziehen, wenn sie von zwei verschiedenen Metallen berührt werden. Mit seinem „Froschschenkel-Experiment“ legte Galvani unwissentlich die Grundlage für die „galvanische Zelle.“

Die Kombination von zwei verschiedenen Elektroden (die beiden Metalle) und einem Elektrolyten (das Wasser in den Froschschenkeln) erzeugte Spannung. Basierend auf dieser Erkenntnis erfand Allesandro Volta im Jahr 1800 die Voltasäule. Mehrere „galvanische Zellen“ wurden in einer Sandwich-Anordnung übereinander gestapelt. Jede Zelle bestand aus einem Kupfer- und Zinkblech sowie einer in Salzwasser getränkten Pappscheibe. Durch die Verbindung der obersten und der untersten Zelle mit einem Draht entstand ein kontinuierlich fließender Stromkreis. Je mehr Zellen die Säule hatte, desto höher war die elektrische Spannung – der Vorläufer der heutigen Batterien war geboren.

Diagram of a galvanic cell discovered by Luigi Galvani in 1780

The volta column invented by Allesandro Volta in 1800.

Links: Anatomie einer galvanischen Zelle, die aus zwei Halbzellen besteht, die durch einen äußeren Draht und eine Salzbrücke verbunden sind. Quelle: https://glossary.periodni.com. Rechts: Die Voltasäule, die aus mehreren aneinandergereihten galvanischen Zellen besteht, wurde von Allesandro Volta im Jahr 1800 erfunden. Quelle: https://www.akku.net/

Blei-Säure-Batterien

1801 entwickelte der Physiker Johann Wilhelm Ritter die galvanische Zelle so weiter, dass sie nach der Entladung wieder aufgeladen werden konnte. Mit Hilfe dieser Innovation und der Verwendung von Bleiplatten erfand Wilhelm Josef Sinsteden den Blei-Säure-Akkumulator. Dieser wurde dann 1859 von Gaston Planté zur Bleibatterie weiterentwickelt, die als erste wiederaufladbare Batterie gilt. Seine Gesamtkonstruktion und Zellenanordnung findet sich auch heute noch in aktuellen Bleiakkumulatoren oder Bleiakkumulatoren.

Planté rechargeable lead-acid battery from the Science Museum Group, UK

Die 1860 eingeführte wiederaufladbare Bleibatterie von Planté war die erste praktische Speicherbatterie. Quelle: https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk

Nickel-iron alkaline storage battery from Thomas Edison

Nickel-Eisen-Akku, entwickelt von Thomas Edison in den frühen 1900er Jahren. Quelle: https://www.worthpoint.com

Alkalische Batterien

Unabhängig voneinander entwickelten Waldemar Jungner (1899) und Thomas Edison (1901) jeweils eine Nickel-Eisen-Batterie, die alkalische Elektrolyte (statt Säure) verwendete. Die neue Konstruktion konnte im Dauerbetrieb eingesetzt werden und war besonders langlebig. Alkalische Batterien, die 80 % der Batterieproduktion in den USA ausmachen, machten erst nach einem weiteren halben Jahrhundert bedeutende Fortschritte, bis der kanadische Ingenieur Lewis Urry die Zink-Mangandioxid-Batterie erfand. In den 1950er Jahren wurde die Einführung dieser neuen Technologie durch die amerikanischen Verbraucher beschleunigt, die nach langlebigeren Batterien – Transistorradios – suchten. Während seiner Arbeit erkannte Urry, dass Manganoxid und pulverförmiges Zink in Kombination mit einer alkalischen Substanz die Haltbarkeit von Batterien erheblich verlängern können, was der Hauptgrund dafür ist, dass sie in so vielen Unterhaltungselektronik- und Haushaltsgeräten verwendet werden.

Nickel-Metallhydrid-Batterien

In den frühen 1990er Jahren entwickelte Stanford Ovshinsky eine Nickel-Metallhydrid-Batterie (NiMH), bei deren Herstellung keine giftigen Metalle wie Cadmium mehr benötigt werden. Durch die Verwendung einer wasserstoffabsorbierenden Legierung anstelle von Cadmium können NiMH-Batterien die 2-3-fache Kapazität von Nickel-Cadmium-Batterien der gleichen Größe aufweisen. Diese Innovation bot eine hohe Energiedichte, eine lange Lebensdauer, eine hohe Leistung und Haltbarkeit sowie Schnellladefähigkeiten, die nie zuvor bei Batterien gesehen wurden. Die neue Technologie wurde zum Industriestandard für den Einsatz in frühen Hybrid-Elektroautos und wird auch heute noch in vielen Fahrzeugen eingesetzt, darunter der berühmte Toyota Prius. Allerdings wurden NiMH-Batterien in den letzten zehn Jahren weitgehend durch eine noch leistungsfähigere, kompaktere und langlebigere Erfindung ersetzt – die Lithium-Ionen-Batterie.

Lithium-Ionen-Batterien

Die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie war eine Kombination von Entdeckungen, die zu der Konstruktion führten, das wir heute kennen. Der Chemie-Nobelpreis 2019 wurde an drei Wissenschaftler für ihre Arbeit bei der Entwicklung dieser weltverändernden Technologie verliehen: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino.  Während seiner Arbeit für Exxon Mobile in den 1970er Jahren versuchte der englische Chemiker Stanley Whittingham, Titandisulfid und Lithiummetall als Elektroden zu verwenden. Dies erwies sich als instabil, und Exxon stellte die Forschung ein. In den 1980er Jahren verwendete der amerikanische Ingenieursprofessor John B. Goodenough statt Titandisulfid Lithiumkobaltoxid als Kathode, was zwar das Energiepotenzial der Batterie verdoppelte, aber die Sicherheitsbedenken nicht ausräumte. Fünf Jahre nach Goodenoughs Entdeckung experimentierte schließlich Akira Yoshino von der Meijo Universität in Nagoya, Japan, mit Petrolkoks anstelle von reaktivem Lithiummetall als Anode. Ohne das Lithiummetall verbesserten sich Akkuleistung und Sicherheit deutlich, und der erste Prototyp eines Lithium-Ionen-Akkus war geboren.

Sony entwickelte 1991 den ersten kommerziellen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akku, der über Nacht zu einem Kassenschlager wurde. Eines der führenden Elektronikprodukte des Unternehmens, tragbare Videokameras, wurde erst durch Lithium-Ionen möglich, da die bisherigen Akkus für den tragbaren Einsatz einfach zu schwer waren. Die Wettbewerber zogen bald nach und begannen, Lithium-Ionen-Akkus auch in Laptops, Handys und neuerdings auch in Fahrzeugen einzusetzen.  Kaum ein elektronisches Gerät wird heute so häufig genutzt wie die Batterie und hat das menschliche Verhalten so stark geprägt.  Forscher rund um den Globus suchen weiter nach Möglichkeiten, Lithium-Ionen-Batterien herzustellen, die sicherer, leistungsfähiger und langlebiger sind. Wenn wir den Übergang zu einer kohlenstofffreien Gesellschaft beschleunigen wollen, gibt es noch viel Verbesserungspotenzial für Anwendungen in Bereichen wie der E-Mobilität. Es wird also spannend zu sehen, was die Zukunft in Bezug auf die Batterietechnologie bringt.

Nickel-metal hydride battery pack from Museum Autovision

Nickel-Metallhydrid-Akkupack (NiMH). Quelle: Museum Autovision, Altlussheim, Germany

BMW i3 battery sourced from BMW

BMW i3 Lithium-Ionen-Batteriepaket. Quelle: BMW

Autoren:

Anna Kilischekow

Wade Million