Die Batterie ist ein Werkstoffproblem

Bisher sprechen wir meistens über Energieerzeugung, wenn es um den Klimawandel geht: Mehr Windkraft auf den Feldern, mehr Photovoltaik auf den Dächern, dazu grüner Wasserstoff und gigantische Stromspeicher. Doch das eigentliche Herzstück dieser Transformation schlägt im Verborgenen. Es ist die Ebene der Atome und Moleküle.

Ob ein Akku künftig sicherer, leichter oder langlebiger wird, entscheidet sich nicht erst am Reißbrett des Autobauers. Es entscheidet sich im Labor – an den Elektroden, Elektrolyten und Trennschichten der Zelle. Dasselbe gilt für Elektrolyseure, Brennstoffzellen und PV-Module. Wir müssen uns deshalb eine ganz grundlegende Frage stellen: Aus welchen Bausteinen wollen wir unser Energiesystem der Zukunft überhaupt errichten?

Das Umweltbundesamt hat das Thema längst auf den Tisch der Politik gelegt. In einer strategischen Agenda misst die Behörde sogenannten Advanced Materials eine Schlüsselrolle für Deutschlands Wende, den Ressourcenschutz und die technologische Unabhängigkeit zu. Das ist kein theoretisches Geplänkel. Hier geht es knallhart um industrielle Souveränität.

Die erste Phase der Energiewende hat Europas Hunger nach Öl, Gas und Kohle offenbart. Die zweite könnte uns in die nächste Falle locken. Ohne Lithium, Kobalt, Nickel und Graphit läuft in heutigen Akkus schlichtweg nichts. Bei Elektrolyseuren für die Wasserstoffherstellung bremst seltenes Iridium das Tempo. Und wer leistungsstarke Motoren oder Windräder bauen will, kommt an Seltenen Erden kaum vorbei.

Es entsteht ein handfestes Paradox: Je schneller wir uns von fossilen Rohstoffen emanzipieren, desto abhängiger werden wir von den Spezialmaterialien der Öko-Technologie. Wir können dieser Falle nicht allein dadurch entkommen, dass wir irgendwo neue Minen in den Boden graben. Der Ausweg liegt in schlauerer Technologie: weniger Material pro erzeugtem Watt, alternative Rohstoffe und funktionierende Kreisläufe. Genau hier setzt die Werkstoffrevolution an.

Nirgendwo wird dieser Wandel so greifbar wie beim Akku. Der klassische Lithium-Ionen-Akku hat zwar eine gigantische Entwicklung hinter sich, doch für die Zukunft mischt die Forschung die Karten völlig neu. Festkörperbatterien, Lithium-Schwefel-Zellen und Natrium-Ionen-Akkus buhlen um die Nachfolge – mit ganz unterschiedlichen Stärken bei Sicherheit, Reichweite und Rohstoffbedarf.

Die deutsche Forschungsinitiative FestBatt setzt beispielsweise alles auf die Festkörpertechnologie. Anstelle der hochbrennbaren Flüssigkeit im Inneren tritt ein festes Material aus Sulfiden, Oxiden oder Polymeren. Das öffnet Türen: Erstmals lässt sich metallisches Lithium direkt als Anode einsetzen. Man tauscht nicht einfach nur ein Einzelteil aus – man erfindet die Architektur des gesamten Akkus neu.

Die Vision verspricht extrem hohe Energiedichten, mehr Sicherheit und kompaktere Bauweisen. Der Weg in die Massenfertigung ist allerdings knifflig. Forschende müssen die chemischen Grenzflächen im Akku und die Stabilität in der Produktion gleichzeitig in den Griff bekommen. Wie heiß das Thema brennt, zeigte die Fachkonferenz Advanced Battery Power: Rund tausend Experten diskutierten in Münster über alle Technologien hinweg – von der chemischen Zusammensetzung über die Produktion bis hin zum Recycling.

Ein echter Hoffnungsträger ist die Lithium-Schwefel-Batterie. Schwefel gibt es wie Sand am Meer, und er kostet nur einen Bruchteil jener Metalle, die derzeit in Akkus stecken. Initiativen wie das Forschungsprojekt BETSY testen intensiv, ob Schwefel als Kathodenmaterial den Durchbruch bringt. Gelingt das, könnte die Industrie auf Kobalt und Nickel in der Kathode komplett verzichten. Doch in der Materialwissenschaft gibt es selten Geschenke: Schwefel bringt ganz eigene Macken mit. Seine Lebensdauer ist bisher überschaubar, das Material dehnt sich beim Laden stark aus, und chemische Nebenreaktionen – das sogenannte Polysulfid-Problem – machen den Ingenieuren zu schaffen. Es reicht eben nicht, einfach einen Baustein auszutauschen. Man muss das gesamte System neu abstimmen.

Einen noch radikaleren Schnitt macht die Natrium-Ionen-Batterie. Kochsalz-Natrium ist überall verfügbar und im Gegensatz zu Lithium völlig unkritisch. Solche Zellen dürften überall dort ihren Siegeszug antreten, wo es nicht auf jedes Gramm Gewicht ankommt – etwa bei stationären Stromspeichern für Solarparks. Das französische Unternehmen Tiamat treibt die kommerzielle Nutzung dieser Technik bereits voran. Auf der Konferenz in Münster machte Keynote-Speaker Mathieu Morcrette klar: Natrium-Akkus lassen sich extrem schnell laden und sind bereit für den Markt.

Es zeichnet sich ein klarer Trend ab: Es wird in Zukunft nicht mehr den einen Akku für alles geben. Wir steuern auf eine Spezialisierung zu:

Die Akku-Branche wandelt sich rasant von einer reinen Fertigungsindustrie zu einer Disziplin des gezielten Materialdesigns.

Ganz ähnliche Hürden finden sich in der Wasserstoffwirtschaft. Elektrolyseure sollen in Zukunft gigantische Mengen Ökostrom in grünen Wasserstoff verwandeln. Viele Systeme brauchen dafür aber Edelmetalle. Vor allem das extrem seltene Iridium wird schnell zum Nadelöhr. Wer Wasserstoff im industriellen Maßstab produzieren will, kann die heutigen Anlagen nicht einfach tausendfach kopieren. Der Materialverbrauch muss drastisch sinken. Das deutsche Leitprojekt H2Giga geht genau dieses Problem an: Das Teilprojekt grELjet entwickelt hauchdünne, geschichtete Katalysatoren, um den Iridiumbedarf bei der Wasserstoffspaltung auf ein Minimum zu drücken.

Einen Schritt weiter gehen sogenannte AEM-Elektrolyseure. Sie versuchen die Vorteile etablierter Verfahren zu kombinieren, kommen aber komplett ohne teure Edelmetalle aus. Das deutsch-niederländische Projekt genAEMStack erforscht derzeit solche Systeme. Das Prinzip bleibt dasselbe: Die Energiewende gelingt umso schneller, je unabhängiger sich die Technik von seltenen Rohstoffen macht.

Richtig spannend wird es dort, wo Forschende nicht mehr nur bestehende Werkstoffe feintunen, sondern chemische Prozesse grundlegend neu aufsetzen. Greenlyte Carbon Technologies, eine Ausgründung der Universität Duisburg-Essen, entwickelt neuartige Flüssigkeiten und Katalysatoren, um CO₂ direkt aus der Umgebungsluft zu filtern.

Ein weiteres Beispiel ist das Erlanger Unternehmen Hydrogenious LOHC Technologies, eine Ausgründung der Uni Erlangen-Nürnberg. Zu den Geldgebern gehören Schwergewichte wie Hyundai, Mitsubishi und Chevron. Die Franken lösen ein gigantisches Transportproblem: Wie lässt sich flüchtiger Wasserstoff befördern, ohne ihn extrem kühlen oder unter enormen Druck setzen zu müssen? Ihre Antwort heißt LOHC. Der Wasserstoff wird chemisch an ein organisches Trägeröl gebunden und lässt sich anschließend in ganz normalen Tankwagen transportieren. Auch hier ist der entscheidende Durchbruch kein neues Kraftwerk und keine neue Pipeline, sondern ein schlau erfundenes Molekül.

Auch auf den Dächern kündigt sich ein Generationenwechsel an. Noch beherrscht Silizium den Markt fast ohne Konkurrenz. Doch die Forschung hat die physikalischen Leistungsgrenzen des Materials beinahe erreicht. Der neue Star am Himmel heißt Perowskit. Diese Kristalle lassen sich als extrem dünne Schicht auftragen und schlucken das Sonnenlicht mit einer erstaunlichen Effizienz. Kombiniert man eine klassische Siliziumzelle mit einer hauchdünnen Perowskit-Schicht zu einer sogenannten Tandemzelle, fängt das Doppelgespann wesentlich mehr Sonnenlicht ein als jede Einzelzelle. Das Umweltbundesamt führt Perowskite deshalb als eines der zehn wichtigsten Materialfelder für die Transformation auf.

Allerdings zeigt sich hier auch die Kehrseite der Medaille: Manche Perowskit-Systeme enthalten giftiges Blei. Das verlangt nach absolut wasserdichten Kapselungen und klaren Recyclingkonzepten. Ein Werkstoff ist eben nicht schon dadurch grün, weil er klimafreundlichen Strom erzeugt. Er muss über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg sauber bleiben.

Das Umweltbundesamt mahnt deshalb zur Vorsicht: Der reine Nutzen eines neuartigen Wundermaterials darf niemanden blind machen. Ob Kohlenstoffnanoröhren, Nanomaterialien oder hochkomplexe Verbundwerkstoffe – bei vielen Wundermitteln sind die Risiken für Mensch, Umwelt und Recyclingfähigkeit noch kaum erforscht. Was im Labor fantastisch klingt, kann auf dem Schrottplatz zum Albtraum werden.

Deshalb braucht die Werkstoffrevolution einen zweiten Blickwinkel. Die Frage darf nicht mehr nur lauten: Kann dieser Stoff eine technische Aufgabe besser lösen? Sie muss lauten: Ist er über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg die bessere Wahl?

Materialforscher arbeiten deshalb heute eng mit Toxikologen, Umweltwissenschaftlern und Recyclingexperten zusammen. Behörden wie das UBA, die BAM oder das BfR haben ihre Forschung gebündelt, um Sicherheit und Nachhaltigkeit bereits im Reagenzglas mitzudenken. Doch die größte Hürde wartet nach dem Labor. Ein genialer Werkstoff bringt gar nichts, wenn er ein unbezahlbares Einzelstück bleibt. Zwischen einem erfolgreichen Reagenzglas-Versuch und einer Gigafactory liegen Jahre harter Arbeit. Lieferketten müssen aufgebaut, die Fertigung stabilisiert und Standards durchgesetzt werden.

Genau hier entscheidet sich die industrielle Zukunft Europas. An klugen Köpfen in den Laboren mangelt es dem Kontinent wahrlich nicht. Die Preisfrage lautet vielmehr: Schaffen wir es diesmal, aus diesen Entdeckungen auch echte, heimische Industriezweige aufzubauen? Hier hat Europa in der Vergangenheit zu oft den Kürzeren gezogen.

Am Ende schließt sich der Kreis. Windräder, Solarmodule, Batterien, Wasserstoff und Stromnetze wirken auf den ersten Blick wie völlig unterschiedliche Welten. Auf der Ebene der Moleküle gehören sie untrennbar zusammen. Sie alle verlangen nach Stoffen mit Fähigkeiten, die es gestern noch gar nicht gab.

Sie brauchen Akkus, die mehr Strom fassen. Membranen, die ohne Edelmetalle auskommen. Solarzellen, die jedes bisschen Licht aufsaugen. Und Werkstoffe, die sich am Ende ihres Lebens mühelos wieder zerlegen lassen. Europa kann und darf seine fossile Abhängigkeit nicht einfach durch den nächsten Rohstoffmangel ersetzen. Wir müssen lernen, aus weniger Material mehr Leistung herauszuholen.

Die wertvollste Energiequelle der kommenden Jahrzehnte ist deshalb weder der Wind noch die Sonne. Es ist das Wissen, Materie nach unseren eigenen Regeln zu gestalten.