Batterien auf Lithiumbasis sind seit Jahrzehnten aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken und werden für verschiedene elektronische Geräte benötigt. Aber warum sind Batterien auf Lithiumbasis so beliebt geworden und gibt es bessere Alternativen? Was könnte eines Tages Batterien auf Lithiumbasis komplett ersetzen?
Was sind Batterien auf Lithiumbasis?
Batterien auf Lithiumbasis (Lithium-Ionen-Batterien) sind heute der am weitesten verbreitete Batterietyp. Die Idee von Batterien auf Lithiumbasis wurde erstmals 1976 von Michael Stanley Whittingham, einem britischen Chemiker, vorgeschlagen. Batterien auf Lithiumbasis wurden erst einige Jahre später, im Jahr 1991, in großem Umfang kommerziell verfügbar, als sie in die Massenproduktion gingen.
Eine Batterie auf Lithiumbasis kann in vielen Formen vorkommen, wobei die bemerkenswertesten Varianten Lithium enthalten Eisenphosphat, Lithiumkobaltoxid, Lithiummanganoxid und Lithiumnickelmangankobalt Oxid. Diese Batterien enthalten kleine Energiezellen, die jeweils aus einer positiven Elektrode (Kathode), einer negativen Elektrode (Anode) und einem Elektrolyten bestehen.
Innerhalb der Zelle bewegen sich Lithium-Ionen zwischen positiver und negativer Elektrode, wobei der Elektrolyt als Bewegungsvektor fungiert. Lithium-Ionen (Li+) sind positiv geladen und werden daher von der negativen Elektrode angezogen. Auch die beiden Elektroden bestehen aus Schlüsselkomponenten. Bei einer typischen Lithium-Kobaltoxid-Batterie besteht die Kathode aus Lithium-Kobaltoxid, während die Anode normalerweise aus einer kohlenstoffbasierten Verbindung besteht, die als Graphit bekannt ist.
Die Kathode gibt einen Teil ihrer positiven Lithiumionen ab, die dann durch den Elektrolyten zur Anode wandern und Energie freisetzen, die die Batterie für ihre Leistungsabgabe verwendet. Auf diesen schnellen und einfachen Prozess verlassen sich heute Milliarden von Menschen auf der ganzen Welt, um ihre Geräte mit Energie zu versorgen.
Viele Marken von Lithium-Ionen-Batterien sind Einwegbatterien. Während sie ein Gerät wochen-, monate- oder sogar jahrelang mit Strom versorgen können, muss es entsorgt und ersetzt werden, sobald die Batterie leer ist. Jedoch, wiederaufladbare Batterien auf Lithiumbasis sind jetzt sehr beliebt, da sie den Benutzern Geld sparen und weniger Abfall produzieren können.
Aber warum genau sind Batterien auf Lithiumbasis die erste Wahl? Was macht sie zu einer so attraktiven Option für Hersteller und Verbraucher?
Warum verwenden wir Batterien auf Lithiumbasis?
Wir verwenden hauptsächlich Lithium-basierte Batterien wegen ihrer langen Lebensdauer im Vergleich zu anderen Batterietypen. Hersteller wollen Akkus produzieren und verkaufen, die einige Tage Strom liefern und dabei leicht und kompakt bleiben. Darüber hinaus laut Institut für saubere Energie, Lithium-Ionen-Akkus haben eine sehr geringe Selbstentladung von etwa 1-2 % pro Monat, was bedeutet, dass sie bei jedem Gebrauch einen geringeren Prozentsatz ihrer Gesamtleistungskapazität verlieren.
Lithium-Ionen-Batterien können über einen einfachen chemischen Prozess Energie erzeugen, was sie zu einer sehr attraktiven Option für Hersteller macht. Hinzu kommt, dass die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien sie zur bevorzugten Option macht. Ein Standard-Lithium-Ionen-Akku hat eine Kapazität von 260-270 Wh/kg (Wattstunden pro Kilogramm), während Blei-Säure-Akkus nur eine Kapazität von 50-100 Wh/kg (lt Energie der Libelle). Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien ist auch ein wesentlicher Grund dafür häufig in Elektrofahrzeugen verwendet.
Aufgrund dieser Faktoren sind Batterien auf Lithiumbasis in der breiten Öffentlichkeit beliebt und in der Anschaffung nicht teuer. Während bestimmte Batteriemarken oder -modelle einen höheren Preis haben können, sind Standardbatterien auf Lithiumbasis im Allgemeinen recht erschwinglich und in Millionen von Geschäften weltweit erhältlich.
Aber Lithium-Ionen-Akkus sind keineswegs perfekt. Tatsächlich gibt es einige eklatante Probleme im Zusammenhang mit dieser unglaublich beliebten Stromquelle.
Das Problem mit Batterien auf Lithiumbasis
Eines der größten Probleme im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien ist die schiere Menge an Abfall, die sie verursachen. Viele Menschen entscheiden sich dafür, Batterien über den normalen Müll zu entsorgen, wenn ihnen der Strom ausgeht, was der Umwelt schadet.
Wenn Lithium-Ionen-Batterien zusammen mit anderem allgemeinen, nicht recycelbaren Abfall entsorgt werden, landen sie auf einer Mülldeponie. Sobald sie hier landen, können ihre Bestandteile auslaugen und die Umgebung schwer schädigen. Lithium, Nickel, Kobalt und Mangan können alle ernsthafte Kontaminationsrisiken darstellen und sind alle in verschiedenen Batterietypen auf Lithiumbasis vorhanden.
Darüber hinaus schadet die Lithiumgewinnung für diesen Batterietyp auch unserem Planeten. Lithium kann durch Salzabbau oder Verdampfung gewonnen werden, wobei beide Prozesse unangenehme Auswirkungen auf die Umwelt haben. Kontamination, erhöhter Salzgehalt des Wassers, CO2-Emissionen und Verlust der biologischen Vielfalt sind allesamt besorgniserregende Nebenwirkungen der Lithiumgewinnung.
Angesichts der Tatsache, dass der Markt für Lithiumbatterien zwischen 2020 und 2026 voraussichtlich um 14,6 Prozent wachsen wird (wie berichtet von Statistik), ist es wahrscheinlich, dass der Prozess der Lithiumgewinnung weiterhin eine Umweltbedrohung darstellen wird. Dies ist auch ein wachsende Besorgnis in der EV-Produktionsindustrie.
Also, was sind die Alternativen?
Die Top 4 Lithium-basierten Batteriealternativen
1. Salzwasserbatterien
Salzwasserozeane bedecken zwei Drittel unseres Planeten. Wie kann diese Ressource also zur Stromerzeugung genutzt werden?
Salzwasserbatterien verwenden eine konzentrierte Salzlösung zur Stromerzeugung. Salzwasserbatterien enthalten auch eine Anode und eine Kathode, wobei die Salzlösung als Elektrolyt (oder Vektor) für positive Natriumionen (Na+-Ionen) fungiert. Die Natriumionen wandern von der Kathode zur Anode und erzeugen Energie.
Tatsächliches Meerwasser wird in Salzwasserbatterien nicht verwendet, aber große Mengen an Salz können aus dem Ozean geerntet und für diese Batterien verwendet werden. Die Verwendung von Salzwasser zur Herstellung von Batterien könnte weit weniger umweltschädlich sein als die Extraktionsverfahren für Lithium, Kobalt, Nickel und andere in Batterien verwendete Metalle.
2. Batterien aus Glas
Glasbatterien mögen etwas ungewöhnlich klingen, aber sie haben großes Potenzial. Die Glasbatterie ist eine relativ neue Idee, die erstmals 2017 vom Physiker John Goodenough konzipiert wurde. Diese als „Goodenough-Batterie“ bekannte Batterie verwendet Glas als Elektrolyt. Während Batterieelektrolyte normalerweise in flüssiger Form vorliegen, ist die Glasbatterie vollständig fest.
Die Verwendung eines Festelektrolyten ist erheblich sicherer als Flüssigelektrolyte, wodurch die Brandgefahr verringert und das Risiko des Auswaschens auf Deponien beseitigt wird. Darüber hinaus könnte die Glasbatterie länger halten als Lithium-Ionen-Batterien, was sie insgesamt zu einer nachhaltigeren Alternative macht. Natrium wird auch in der Glasbatterie verwendet, die, wie bereits bei der Erörterung von Salzwasserbatterien erwähnt, eine nachhaltigere Ressource ist als herkömmliche Batteriemetalle.
3. Natrium-Schwefel-Batterien
Natrium-Schwefel-Batterien (NaS) sind eine Form von Flüssigbatterien, die geschmolzene Anoden und Kathoden verwenden. In diesem Fall liegen Anode und Kathode in flüssiger Form vor, wobei ersteres geschmolzenes Natrium und letzteres geschmolzener Schwefel ist. Diese Batterien gibt es seit den 1960er Jahren, bevor die Lithium-Ionen-Batterie erfunden wurde. Doch welches Potenzial hat die NaS-Batterie in unserer Welt?
Ein großer Vorteil von Natrium-Schwefel-Batterien ist ihre höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien. In der Tat, Forscher an der University of Sydney 2022 eine Natrium-Schwefel-Batterie mit der vierfachen Energiekapazität von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Außerdem sind Natrium-Schwefel-Batterien weniger giftig als Lithium-Ionen-Batterien, was eine gute Nachricht für die Umwelt ist.
4. Hanf-Batterien
Man würde nicht glauben, dass Hanf das Potenzial hat, Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen, aber diese Pflanze hat ihre Vielseitigkeit wieder einmal bewiesen. Diese Batterien haben jedoch einen Vorbehalt: Sie verwenden immer noch Schwermetalle wie Lithium, um zu funktionieren.
Öko-Uhr berichtet, dass ein Beispiel einer mit Hanf betriebenen Batterie, die 2022 von Forschern entwickelt wurde, Lithium und Schwefel in seinem Stromerzeugungsprozess verwendet. Der Unterschied besteht hier darin, dass andere Schwermetalle wie Nickel oder Kobalt nicht verwendet werden und die Batterie selbst eine verbesserte Leistung gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Varianten aufweist. Dies liegt daran, dass der Hanf der Kathode hilft, ihre Lebensdauer durch wiederholte Zyklen zu verlängern.
Batterien auf Hanfbasis sind außerdem kostengünstiger und werden für den Einsatz in Elektrofahrzeugen in Betracht gezogen. Um mehr über die verschiedenen Batterietypen für Elektrofahrzeuge zu erfahren, besuchen Sie unsere eigener Beitrag zum Thema.
Die Batterieindustrie könnte in Zukunft viel grüner werden
Angesichts solch vielversprechender Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien, die bereits in Arbeit sind, ist es spannend, über die Zukunft der Batterieindustrie nachzudenken. Wenn solche Alternativen erfolgreich kommerzialisiert werden, können wir unzählige Umweltprobleme und Katastrophen verhindern. Alles in allem eine Win-Win-Situation für Lithium-Ionen-Ersatz!
