Unterwegs mit SIBs und LIBs? Dabei handelt es sich um unterschiedliche Batterietypen. Was Materialforschung und „fortschrittliche Materialien“ für umweltgerechtes Fahren leisten können? Die Antworten folgen sogleich.
Geht es um emissionsfreies, Kohlendioxid-sparendes Fahren, fällt schnell das Stichwort Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Lithium abzubauen, ist jedoch für die Umwelt riskant. Da es nur in kleinen Mengen in der Erdkruste zu finden ist, könnte nicht-recyceltes Lithium zudem bald rar werden. Daher machten sich die Forscher auf, Natrium-Ionen-Batterien (SIB – Sodium Ion Batteries) zu entwickeln. Das erste E-Auto mit einer SIB-Batterie gab es Ende 2023 – auf dem chinesischen Markt – zu kaufen. Natrium kommt häufiger in der Erdkruste vor. Daher soll es Umwelt und Kassen weniger belasten. Und – aus politischer Sicht – die Batterieherstellung regional unabhängig machen. Allerdings hängt die Spannung stark vom Ladezustand ab, wenn Lithium durch das besser verfügbare Element Natrium ersetzt wird.
Um das Beste aus den Batterietechnologien zu machen, braucht es fortschrittliche Materialien, mit denen Forscher die Eigenschaften und Einsetzbarkeit von Batterien für die Energiewende verbessern. Allerdings sind diese Materialien sorgsam zu verwenden, wenn sie bei Entwicklungen für Batterien und Elektromobilität zur Anwendung kommen. Schließlich sollen sie sich nicht zur Sorge für die Umwelt entwickeln. Für die Arbeit von Forschungsinstituten und die Entwicklungsabteilungen von Herstellern braucht es daher geeignete Wissensbestände. Im Auftrag des Umweltbundesamts (UBA) arbeitete die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) einen Report aus, den das UBA im Sommer 2025 veröffentlichte. Der Bericht „Advanced materials for the energy transition“ von Dr. Xenia Knigge und Dr. Jörg Radnik (BAM) beleuchtet die Vorteile, die neuartige, sogenannte fortschrittliche Materialien (Advanced Materials, „AdMa“) für die Energiewende haben. Die Autoren unterstreichen einerseits ihr „enormes Potenzial für die Verwirklichung der Energiewende“, besonders wenn die Entwickler und Hersteller die Materialien miteinander kombinieren. Andererseits verschweigen Knigge und Radnik nicht die Herausforderungen, die fortschrittliche Materialien für den Umgang mit Ressourcen oder den Schutz von Mensch und Umwelt bedeuten können. Das liegt auch daran, dass nur wenige Informationen darüber verfügbar seien, welche Risiken die Materialien für die menschliche Gesundheit und die Umwelt bergen. Und zum Teil erfordere ihre Anwendung den Einsatz bekannter Schadstoffe oder sei ihre Herstellung „enorm“ rohstoff- und energieintensiv.
Kürzere Ladezeiten bei Autos werden angestrebt
Die technologischen Erfolge können der Umwelt helfen, indem sie dazu beitragen, dass immer mehr Fahrzeuge mit erneuerbaren Energien unterwegs sind. Die BAM-Autoren halten beispielsweise fest, dass Festkörperelektrolytmaterialien aus ultradünnen Membranen in Festkörperbatterien die Ionenspeicherkapazität erhöhen. Dabei kommen verschiedene lithiumhaltige Materialien wie Perowskit, gemischtes Phosphid, Sulfid oder Halogenide bereits zum Einsatz, während neue anionenbasierte superionische Leiter wie Fluorid und gemischte Anionen diskutiert würden. Ebenso Materialien mit hoher Entropie, was heißt, dass sie aufgrund ihrer Zusammensetzung mit ebenso komplexen wie stabilen Strukturen einiges aushalten sollten.
Für den Durchbruch der Elektromobilität sind zwei Faktoren entscheidend: deutlich kürzere Ladezeiten, damit E-Autofahrer ähnlich komfortabel unterwegs sind wie mit einem Verbrenner –
und Batterien, die mehr Ladezyklen überstehen und dadurch länger halten. Davon profitieren sowohl die Kunden als auch das Klima.
Neue poröse Substrate und optimierte Herstellungsverfahren ermöglichen heute Festkörperelektroden mit hoher Flächenkapazität. Sie steigern die Energiedichte, verkürzen die Ladezeit und erhöhen die Lebensdauer der Batterie spürbar. Diese Hochleistungsakkus gelten inzwischen als Stand der Technik und finden vor allem in höherpreisigen Elektrofahrzeugen bereits ihren Weg auf die Straße.
Ressourcen sparen, lange Nutzdauer
Doch auch die ohne Lithium auskommenden SIBs sollen mit Hilfe fortschrittlicher Materialien die Mobilitätswende voranbringen. Der UBA-Report berichtet von Materialien, die „im Vergleich zu LIBs“ nun in SIBs ersetzt würden. Vielversprechend als Anodenmaterial seien HC (Hard Carbon) oder Core-Shell-Carbon mit gezielt gestalteten Porenstrukturen und Oberflächenfunktionalisierung. Edelmetalle in Elektrokatalysatoren könnten durch Multi-Principal-Element-Alloys (MPEA) ersetzt werden. Diese sollen den BAM-Autoren zufolge, eine vielversprechende katalytische Aktivität und Langzeitstabilität aufweisen.
Ressourcen sparen und die mit ihnen gebauten Batterien lange nutzen – aufhorchen lässt angesichts dieser ökologischen Anforderung auch die Meldung, dass zwei der größten Effizienz-Probleme bei Festkörper-Lithiumbatterien wohl gelöst worden seien: Der hohe Grenzflächenwiderstand zwischen Elektrode und Elektrolyt sowie die vergleichsweise geringe Effizienz des Ionentransports. Forscher des Institute of Metals der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben dem materialwissenschaftlichen Magazin „Advanced Materials“ zufolge, ein neues Polymer vorgestellt, das den Grenzflächenwiderstand reduziert und den Ionentransport beschleunigt. Erste Tests sollen deutliche Zuwächse bei Energiedichte und mechanischer Stabilität zeigen. „Diese Arbeit etabliert ein neues Paradigma für multifunktionale Polymere, das Ionentransport und -speicherung integriert und eine vielseitige Plattform für flexible Festkörperbatterien mit hoher Energie bietet“, heißt es in einem Abstract des Forschungsartikels auf der Wiley-Advanced-Website.
