Das Lernobjekt beinhaltet Materialien der Max-Planck-Gesellschaft, im Speziellen das Heft "TECHMAX 13 - Eine volle Ladung Energie - elektrisierende Ideen für leistungsfähigere Batterien".
Inhalt Als der italienische Physikprofessor Alessandro Volta um 1800 die Voltasche Säule erfand, ahnte er sicher nicht, dass ihn diese Ur-Batterie unsterblich berühmt machen würde. Heute kennt jeder das Volt, die physikalische Einheit für die elektrische Spannung. Sogar ein amerikanisches Elektroauto soll demnächst seinen Namen durch die Straßen tragen.
Reine Elektroautos sind zum Symbol für „grüne", Klima schonende Mobilität geworden. Ihr Image ist zwar cool, aber auf den Straßen sind sie immer noch Exoten. Ihr Problem: der wieder aufladbare Speicher für elektrische Energie, der Akkumulator. Selbst die besten Auto-Akkus mit Lithiumtechnologie können derzeit nur rund 0,1 Kilowattstunden (kWh) an Energie pro Kilogramm speichern. Ein Kilogramm Benzin oder Diesel enthält dagegen rund 12 kWh an nutzbarer chemischer Energie, also gut hundert Mal so viel.
Trotzdem ist die Lage für E-Fans alles andere als hoffnungslos. Elektrische Antriebe sind nämlich viel effizienter als Verbrennungsmotoren. Elektroautos müssen deshalb deutlich weniger elektrische Energie an Bord mitführen, um auf vergleichbare Fahrleistungen zu kommen. Folglich muss die Forschung die spezifische Energiedichte der Akkus gar nicht auf das Niveau von fossilem Treibstoff steigern. Die Chancen für Elektroautos stehen also mittelfristig gut, und zwar dank Lithium. Für die „elektrochemischen" Eigenschaften dieses Metalls interessiert sich Joachim Maier, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Sein Team entwickelt völlig neue Ideen für effizientere Akkus auf Lithium-Basis. Sogar einige Patente halten die Stuttgarter Grundlagenforscher.
Lithium ist Element Nummer Drei im Periodensystem. Man kann das Metall allerdings nicht einfach in die Hand nehmen. Maiers Mitarbeiter Dominik Samuelis zeigt es in einem sorgfältig verschlossenen Glasfläschchen. Darin liegt es harmlos silbrig glänzend in trockenem Argon-Schutzgas. „Lithium ist nämlich schon mit Spuren von Wasser hoch reaktiv", erklärt der Chemiker. Diese Reaktion ist ähnlich heftig wie beim Natrium, dem schwereren Verwandten des Lithiums. Das Lithium spielt also nicht nur in der „Linksobenaußen"-Position im Periodensystem. Es ist generell ein chemischer Extremist. Für Hochleistungsakkus ist es aus zwei Gründen so einzigartig attraktiv: Erstens ist das Atom winzig und damit ein Leichtgewicht. Das erhöht die pro Kilogramm Akku speicherbare Menge an elektrischer Ladung. Zweitens verhält sich Lithium innerhalb der elektrochemischen Spannungsreihe - dem Laufsteg der elektrochemischen Elemente - besonders „elektropositiv". Es ist damit ein williger Elektronenspender. Aber warum ist das für Akkus gut?
Dazu muss man wissen, dass die zweite Schraube zur Optimierung ihrer Speicherkapazität die elektrische Spannung zwischen dem Plus- und dem Minuspol ist. Je höher diese Zellspannung ist, desto mehr elektrische Energie passt in den Akku - sofern seine Chemie ansonsten unverändert bleibt. Und hier kommt die Spannungsreihe ins Spiel: Würde man eine Lithium-Elektrode an eine Wasserstoff-„Normalelektrode" anschließen, die die Null-Volt-Linie markiert, läge das Lithium bei minus 3,04 Volt. Das ist Rekord in der Spannungsreihe. Wenn man also leistungsfähige Akkus entwickeln will, paart man den Elektronenspender Lithium mit einem möglichst gierigen Elektronenfresser am anderen Pol der Zelle. Dann sind Zellspannungen über 5 Volt erreichbar! Zum Vergleich: Handelsübliche Lithium-Ionen-Akkuzellen liegen derzeit bei 3,6 bis 3,8 Volt, Alkali-Einwegbatterien bei mickrigen 1,5 Volt.
Serienbeschreibung Die Serie stellt Materialien der Website max-wissen.de bereit, einem Angebot der Max-Planck-Gesellschaft. Neben den Max-Heften im pdf-Format werden Arbeitsblätter, Folien, Hintergrundinformationen und didaktische Überlegungen angeboten.
