Die größte Herausforderung: jeder möchte mehr Batterieleistung

Um die weltweite Energiewende voranzutreiben, müssen wir die heute verfügbare Batteriekapazität mindestens um das Hundertfache erhöhen. Damit Lithium-Ionen-Batterien allerdings Teil einer grüneren Zukunft sein können, müssen wir überdenken, wie sie bezogen, hergestellt und recycelt werden. Diese Meinung teilt Y. Shirley Meng, Professorin für Molekulartechnik an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago.

Y. Shirley Meng, professor of molecular engineering, University of Chicago’s Pritzker School of Molecular EngineeringBatterietechnologie gilt zunehmend als Schlüssel zur Energiewende. Die Gesellschaft möchte ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen beenden. Batterien bieten dabei die praktikabelste Alternative – für alles, von der Dekarbonisierung von Transport- und Industrieprozessen bis hin zur Bereitstellung von Backup- und Speicherlösungen bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien.

Obwohl die Batterietechnologie noch nie gefragter war, leidet auch sie unter erheblichen Wachstumsschmerzen.

„Die größten Herausforderungen sind auf zwei große Engpässe zurückzuführen: Ein Mangel an Rohstoffen, der zu Problemen in der Lieferkette führt, und ein Mangel an Talenten“, sagt Professor Y. Shirley Meng. Außerdem hätte noch vor wenigen Jahren niemand hätte vorhersehen können, wie schnell die Batterieindustrie wachsen würde.

„Covid war ein wichtiger Weckruf und hat uns daran erinnert, dass wir eine robustere Lieferkette brauchen“, fährt sie fort. „Vor der Pandemie haben wir uns, was die Lieferung von Batterien betrifft, stark auf Asien verlassen. Nun müssen Unternehmen im Westen schnell entscheiden, wo sie Anlagen bauen und wie sie die Materialversorgung sicherstellen können.“

Der Zugang zu erneuerbaren Energien ist der Schlüssel zum Erfolg

Wie Meng betont, ist eine Batterie jedoch nur so grün wie das Netz, das sie mit Strom versorgt.

Damit die Batterietechnologie nachhaltig ist, muss sie dort sein, wo die grünen Elektronen sind.

„Damit die Batterietechnologie nachhaltig ist, muss sie dort sein, wo die grünen Elektronen sind“, erklärt sie. „Wenn Sie Ihr Auto in einem Netz aufladen, das nicht aus viel erneuerbare Energie gespeist wird, trägt die Batterie selbst nicht dazu bei, den CO2-Fußabdruck des Planeten zu verringern.”

Da die Nachfrage nach Batterien steigt, betont Meng, wie wichtig es ist, Fabriken am richtigen Ort zu bauen und den Zugang zu erneuerbarer Energie zu erweitern.

„Die Batterieproduktion muss an Orten stattfinden, an denen Elektrifizierung und erneuerbare Energien leicht verfügbar sind“, sagt sie.

Dieser Bedarf erstreckt sich auf wichtige industrielle Prozesse wie das Heizen, das durch den Einsatz elektrischer Heizlösungen deutlich effizienter und nachhaltiger gestaltet werden könnte.

Elektrische Heizung für verbesserte Effizienz

„Dies ist besonders relevant in der Kathodenproduktion, wo extrem hohe Temperaturen benötigt werden, um die Vorprodukte für die Herstellung der Kathodenmaterialien zu erhitzen“, erklärt Meng. „Die Verwendung ineffizienter Heizmethoden führt zu mehr Emissionen während des Herstellungsprozesses.”

Ein weiteres Problem ist der Mangel an wichtigen Rohstoffen, die für die Herstellung von Batterien benötigt werden, wie Nickel, Kobalt und Kupfer. Eine Lösung besteht darin, nach Möglichkeiten zur Modernisierung und Effizienzsteigerung in den Bergbauunternehmen und Lithiumraffinerien zu suchen. Eine andere darin besteht, Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien zu finden.

Batterietechnologien der nächsten Generation

Derzeit werden verschiedene Alternativen für Batterien der nächsten Generation untersucht. Drei der vielversprechendsten sind laut Meng Lithium-Metall-, Festkörper- und Natrium-Ionen-Batterien.

„Lithium-Metall-Batterien haben das Potenzial, die Energiedichte zu erhöhen und könnten daher Anwendungen wie fliegende Autos möglich machen“, sagt sie. „Festkörper-Batterien sind deutlich sicherer, aber auch wesentlich teurer in der Herstellung. Die Natrium-Ionen-Batterietechnologie steckt noch in den Kinderschuhen, könnte aber sehr vielversprechend sein, weil Natrium so leicht verfügbar ist.”

Batterien sollten für das Recycling ausgelegt sein

Eine weitere Möglichkeit, den Druck auf die bestehende Lieferkette zu verringern, besteht darin, effizientere Wege für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien zu finden.

„Derzeit werden nur etwa 20 Prozent der Lithium-Ionen-Batterien recycelt. Wir müssen also darüber nachzudenken, wie wir die Elemente wiederverwenden können“, sagt Meng. „Das ist ein Produkt, das von vornherein für das Recycling geeignet sein sollte. Wir brauchen Batteriepacks, die für immer auf dem Planeten zirkulieren und nicht auf Mülldeponien entsorgt werden.”

Hundertmal mehr Kapazität

Mit Blick in die Zukunft betont Meng die Bedeutung der Entwicklung einer „gesunden Batterieindustrie“.

„Um die globale Energiewende voranzutreiben, brauchen wir einige Hundert Terawattstunden. Das ist mindestens hundertmal mehr Kapazität als heute“, sagt sie. Diese Kapazität müsse außerdem irgendwie erreicht werden, ohne unsere natürlichen Ressourcen zu erschöpfen oder dem Planeten zu schaden.

„Wir müssen darüber nachdenken, wie wir abbauen, wo wir es tun und wie wir recyceln“, sagt Meng. „Dies erfordert Planung und sorgfältige Berücksichtigung der Elementverteilung. Ich würde es begrüßen, wenn sich neue Batteriehersteller an Orten mit leichtem Zugang zu erneuerbaren Ressourcen positionieren und die potenziellen Alternativen zu Lithium für die Zukunft untersuchen würden.”

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Führend in der Forschung zu Energiespeicherlösungen

Professor Shirley Meng ist eine international anerkannte Führungsperson in der Forschung zu Energiespeicherlösungen. Sie kam 2021 an die Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago als Professorin für Molekulartechnik und leitende Wissenschaftlerin des Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science.

Mengs Forschung konzentriert sich auf das Messen, Steuern und Manipulieren grundlegender Energiespeichergeräte, was zu leistungsfähigeren, sichereren und langlebigeren Batterien geführt hat. Aus ihrer Forschungsarbeit sind mehr als 225 Veröffentlichungen sowie vier erteilte und sechs angemeldete Patente hervorgegangen.