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Zukunft der Batterie – Die Bio-Batterie
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Autor: Maximilian G.
Veröffentlicht am: 21.07.2020
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Wie unterscheidet sich der Aufbau zu heutigen Lithium-Ionen-Batterien und was sind die Vorteile?
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Die Bio-Batterie ist die Vision der vollkommen nachhaltigen und damit maximal Ressourcen schonenden Energiespeicherung für mobile und stationäre Anwendungsfälle. Um das zu erreichen sollen nach und nach die kritischen und oftmals unter schwierigen Bedingungen abgebauten Grundbestandteile der heutigen Batteriezellen, wie Lithium und Kobalt, durch einfach verfügbare, ökologische Batteriekomponenten ersetzt werden. Die Bio-Batterie soll auf Basis von umweltfreundlichen Bestandteilen produziert werden und ebenso auf einfachste Weise recyclebar sein. Im Vergleich zur heutigen Batterietechnik wird bei der Bio-Batterie ein völlig neuer Materialansatz verfolgt.
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Welche Herausforderung hemmen die Entwicklung der Bio-Batterie?
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Die heutige Lithium-Ionen-Batterie basiert auf der Verwendung einer Vielzahl von Bestandteilen, die aufeinander abgestimmt sind und so im technischen Zusammenspiel gut funktionieren. Sollen nun einzelne Bestandteile der Batterie durch nachhaltige Elemente ersetzt werden, so geht damit in der Regel ein Leistungsverlust oder aber ein kompletter Funktionalitätsverlust der Batteriezelle einher. Beispiel Natrium: Das Element Natrium ist im Vergleich zu Lithium deutlich einfacher und ebenso nachhaltiger verfügbar. Natrium und Lithium sind benachbarte Alkalimetalle im Periodensystem und sich im chemischen Verhalten relativ ähnlich, beide sind sehr reaktiv, was für die generelle Funktionsfähigkeit der Batterie gut ist. Da Natrium-Ionen jedoch größer sind als Lithium-Ionen, führt dies zu einem Problem bei der Energiespeicherung. Die Natrium-Ionen sind zu groß für die Interkalation im Graphit, es kann keine Energie gespeichert werden und die Batterie wird ohne weitere Anpassungen unbrauchbar.
Für die erfolgreiche Bio-Batterie können demnach nicht nur einzelne Bestandteile der Batterie ersetzt werden, sondern es muss im komplexen Zusammenspiel eine vollkommen überarbeitete Batterie (Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator) entwickelt werden. Das erhöht die Komplexität der Technologie insbesondere bei rein organischen Batteriezellaufbauten, da diese oft schwierig in gleichbleibender Produktqualität produzierbar sind.
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Was ist der aktuelle Entwicklungsstand und wann wird die Technik marktreif?
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Verschiedene forschende und universitäre Institute haben in den letzten Jahren die Herausforderung der Bio-Batterie in Angriff genommen. Einer der Erforscher der Bio-Batterie ist Engelbert Portenkirchner von der Universität Innsbruck in Österreich, welcher sich einem Ansatz basierend auf Natrium-Ionen verschrieben hat. Portenkirchner, der selber Chemiker ist, baut dabei auf den Fortschritten der Elektrodenforschung auf und nutzt organisch halbleitendendes polymeres Elektrodenmaterial für einen Natrium-Ionen-Ansatz. Das verwendete Poloymer-Material ist einfach herstellbar, bietet höhere Speicherkapazitäten als Graphit, ist mechanisch flexibel und auch recycel- & komposttierbar. Entwicklungshürden sind die schlechte Leitfähigkeit der organischen Bestandteile sowie die chemische Instabilität im Batterieelektrolyten.
Auch Daimler forscht heute schon an organischen Batterielösungen und nutzt hierfür pflanzliche, tierische, bakterielle Bestandteile sowie Pilze. Erste Versuchsaufbauten befinden sich bereits im Betrieb, jedoch werden die Lösungen, nach Aussage von Daimler, wohl nicht innerhalb der nächsten 15 Jahre marktreif werden. Neben Daimler verfolgen weitere Forschungsinstitute und Universitäten ebenso vor allem einen rein biologischen Materialansatz. Forscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung suchen aktuell einen rein organischen Elektrolyten und nutzen hierfür unter anderem das aus der Vanilleschote bekannte Vanillin. Professor Christof M. Niemeyer und sein Team vom Karlsruher KIT wiederum versuchen mikrobielle Cyborgs zu erschaffen und Batterien auf Basis von bakterieller Aktivität und bakteriell erzeugten Strukturen zu designen.
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Wer sind Entwicklungstreiber?
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Daimler: Forschungen zu Batterien auf Basis von pflanzlichen, tierischen, bakteriellen sowie Pilz Bestandteilen
Universität Innsbruck: Natrium-Ionen-Batterien mit speziellen organischem Anodenmaterial
University of Massachusetts: Exolektrogene Mikroben die Elektrizität und bakterielle Fäden erzeugen deren Leitfähigkeit mit Metallen vergleichbar ist
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung: Elektrolyte auf Basis nachhaltiger Ressourcen
Niemeyer-Lab, KIT: Programmierbare, biohybride Systeme aus Nanokomposit-Material und Elektronen produzierenden Bakterien, die als Stromleiter und Stützgrüßt für stromerzeugende Bakterien dienen
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Meinung der Redaktion:
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Die Bio-Batterie ist Biotechnik Faszination pur und die Forschungsansätze lesen sich oftmals wie aus einem Science-Fiction Roman. Neutral betrachtet erscheint die Forschung indes noch sehr grob und Grundlagen fokussiert. Battery-News.de rechnet daher nicht mit einer großindustriellen Etablierung rein biologischer Batterien innerhalb des laufenden Jahrzehnts.
Battery-News.de sieht die Wahrscheinlichkeit einer breiten Marktetablierung der reinen Bio-Batterie in den nächsten 10 Jahren bei 15%.
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Quellen:
https://www.uibk.ac.at/newsroom/erfolg-auf-dem-weg-zur-bio-batterie.html.de
https://www.nature.com/articles/nnano.2011.119
https://www.mpg.de/13522988/biobatterie
https://www.kit.edu/kit/pi_2020_033_mikrobielle-cyborgs-bakterien-als-stromlieferanten.php
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