Akkus sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken: Handy, Tablet, Laptop, Kamera — je länger der Akku hält, desto besser. Was viele nicht wissen: In allen Geräten steckt der gleiche Batterietyp, die sogenannte Lithium-Ionen-Batterie. Seit Sony sie 1991 auf den Markt brachte, hat das kleine Kraftpaket Geschichte geschrieben. Mehr als vier Milliarden dieser Batterien wurden 2015 verbaut und der Markt boomt weiter.

So sehr, dass nun nach Alternativen gesucht werden muss. Denn in Zukunft wird der Bedarf an Batterien noch steigen: Die Nachfrage nach Elektroautos etwa nimmt zu. Als der amerikanische Hersteller Tesla Mitte April sein Model 3 für 35 000 Dollar vorstellte, gingen innerhalb von drei Wochen 400 000 Bestellungen ein. Könnten Elektroautos zu noch erschwinglicheren Preisen gebaut werden, hätten sie vermutlich das Zeug zum «Volkswagen». Das wiederum hängt auch von der Entwicklung einer langlebigen und vor allem kostengünstigen Batterie ab.

Das Gleiche gilt für Solar- und Windkraftanlagen. Diese produzieren zwar zuverlässig Strom, aber nur, wenn die Sonne scheint oder Wind weht. Um erneuerbare Energien weiter zu befördern, bedarf es also dringend Batterien: «Wir brauchen effiziente und günstige Energiespeicher, die Sonnen- oder Windenergie über einen längeren Zeitraum zwischenspeichern können, um sie bei Bedarf abzugeben», sagt Petr Novak, Leiter der Sektion Elektrochemische Energiespeicher des Paul-Scherrer-Instituts in Villigen.

Natrium statt Lithium

Die Lithium-Ionen-Akkus sind für diese zukünftigen Entwicklungen nur bedingt geeignet: Sie sind schlicht zu teuer. Lithium (Li) ist zwar keine knappe Ressource im eigentlichen Sinne, das Alkali-Metall liegt jedoch fein verteilt in der Erdkruste, was den Abbau aufwendig, umweltbelastend und kostspielig macht. Deswegen suchen Forscher schon seit einigen Jahren vermehrt nach einer preiswerten und auch nachhaltigen Alternative — und haben Natrium (Na) wieder entdeckt, chemisch betrachtet der grosse Bruder von Lithium. «Natrium kommt überall vor: In Salzwüsten, in unterirdischen Salzstöcken und im Meer in Form von Kochsalz. Die Gewinnung ist viel einfacher als die von Lithium und damit viel günstiger», sagt Stefano Passerini vom Helmholtz-Institut Ulm (HIU).

Die Na-Ionen-Batterie gilt dabei als «drop in»-Technologie, das heisst: Im Prinzip ähnelt sie der Li-Ionen-Batterie, produziert werden könnte sie. Was so einfach klingt, ist es nicht: Einfach austauschen lassen sich die Ionen nicht. Denn Na-Ionen sind etwa 25 Prozent grösser als Li-Ionen, und das verändert die Chemie der Batterie. So müssen neue, geeignete Materialien für die Na-Batterie entwickelt werden.

Elektroden aus faulen Äpfeln

Das Team um Passerini experimentiert dabei auch mit Bioabfall – ein Zufall führte sie auf diese Spur: Ein Student aus China ärgerte sich über die vielen Äpfel, die im Herbst ungenutzt herumliegen – weil sie EU-Standards nicht genügen – und beschloss, sie als Rohstoff zu nutzen. Die Forscher trocknen die Früchte, behandeln sie mit Säure und erhitzen sie, um schliesslich Kohlenstoffpulver zu erhalten, das sie für die Elektrode der Batterie nutzen. «Viele biologische Abfälle, aber auch nachwachsende Ressourcen, könnten als Elektrodenmaterial dienen und nachhaltig genutzt werden», ist Passerini überzeugt. Auch aus Bananen- und Erdnussschalen hat man bereits Batteriematerialien gewonnen und weltweit bemühen sich Forscher, Batterien ohne umweltschädliche Elemente wie Kobalt zu entwickeln.

Über 1000 Lade- und Entladezyklen hat die Kohlenstoff-Elektrode aus Apfelresten bei stabiler Leistung bereits überstanden. Li-Ionen-Akkus schaffen bis zu 3000 Zyklen und sind damit langlebiger, allerdings ist die Technik im Vergleich zur Biobatterie auch weit ausgereifter. Neu ist die Forschung an Na-Ionen-Batterien aber nicht: Sie wurde nur Ende der 1980er-Jahre fallen gelassen, als sich der Siegeszug der Li-Batterie abzeichnete. Weil Li-Ionen so klein sind, lassen sich leichte Batterien bauen. Hinzu kommt die hohe Energiedichte – ein enormer Vorteil in Zeiten der Elektromobilität.

«Die Na-Ionen-Batterie hat eine geringere Energiedichte. Sie wird also bei gleicher Grösse nicht die Leistungsfähigkeit der besten Li-Ionen-Batterien erreichen», sagt Novak vom PSI, dessen Team auch an Li-Schwefel-Batterien und «anderen Exoten» arbeitet. «Grundlagenforschung in dem Bereich ist sehr wichtig, man lernt immer dazu. Auch wenn nicht jeder Batterietyp zwangsläufig zu einem Verkaufsschlager wird», so Novak, der davon ausgeht, dass die Na-Batterie in fünf bis zehn Jahren auf den Markt kommt.

Dass das Prinzip funktioniert, haben schon etliche Arbeitsgruppen gezeigt: Französische Forscher des CNRS (Centre national de la recherche scientifique) stellten Ende 2015 einen Prototypen vor, Toyota arbeitet an einer Version für Elektroautos und in England gibt es die Erstversion eines E-Bikes mit einer Na-Ionen-Batterie. «Natrium-Batterien werden Lithium-Batterien nicht ersetzen, aber ergänzen», sagt Passerini.

Für den stationären Einsatz rund um Solar- und Windkraftanlagen wären sie ideal geeignet, weil Grösse da keine Rolle spielt. Auch ein langsamerer Ladevorgang aufgrund der schwerfälligeren Na-Ionen ist in dem Bereich vernachlässigbar. Aber auch für den Einsatz in Elektrofahrzeugen sehen Experten einen Markt: Zwar werden Autos mit einer Na-Batterie eine geringere Reichweite haben als solche mit einer Li-Batterie. Doch wenn sie dafür beim Preis und der Umweltfreundlichkeit punkten, werden sie Käufer finden. Aber: «Batterien – egal welche –», sagt Novak, «werden niemals die Reichweite von Benzin erreichen.»