Technik

Kalziumbasierte Batterien: Die nachhaltige Alternative zu Lithium?

von Artisan Baumeister · 11. März 2025

Während die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien steigt und Rohstoffknappheit bedenklich wird, suchen Forscher nach Alternativen. Kalziumbasierte Batterien könnten die Lösung sein: Kalzium ist reichlich vorhanden, kostengünstiger und ökologisch weniger problematisch. Studien aus den Jahren 2023-2025 zeigen vielversprechende Fortschritte, insbesondere eine höhere Kapazität und verbesserte Ladezyklen. Doch bevor die Technologie massentauglich wird, gibt es noch Herausforderungen – von der Haltbarkeit bis zur Skalierung. Wann können wir mit marktreifen Kalziumbatterien rechnen, und was bedeutet das für die Elektromobilität? Dieser Artikel gibt Antworten.

Inhaltsübersicht

Einleitung
Die Wissenschaft hinter Kalziumbatterien
Marktreife: Wie weit sind Kalziumbatterien noch entfernt?
Warum Kalzium eine bessere Wahl für die Umwelt ist
Fazit

Einleitung

Lithium-Ionen-Batterien dominieren derzeit den Markt für wiederaufladbare Energiespeicher. Sie finden sich in Smartphones, Laptops und vor allem in Elektrofahrzeugen. Doch mit ihrer Beliebtheit wächst auch das Problem: Lithium ist teuer, schwer zu gewinnen und ökologisch bedenklich. Zudem sind die globalen Reserven begrenzt, was langfristig zu Lieferengpässen führen könnte. Deswegen setzen Forscher auf Alternativen – und Kalzium rückt in den Fokus.

Kalzium ist etwa 2.500-mal häufiger in der Erdkruste vorhanden als Lithium und könnte eine nachhaltigere Lösung bieten. Aber ist es wirklich ein würdiger Ersatz? Schon jetzt zeigen neue Forschungsergebnisse aus China und Deutschland erfolgversprechende Ansätze. Erstmals gibt es Kalziumbatterien, die Raumtemperatur-tauglich sind und höhere Kapazitäten als herkömmliche Akkus erreichen. Dennoch gibt es noch Herausforderungen zu bewältigen. Können sie langfristig wirklich mit Lithium-Ionen-Akkus konkurrieren? Wir werfen einen genauen Blick auf Technik, Forschung und Marktaussichten.

Die Wissenschaft hinter Kalziumbatterien

Wie funktionieren Kalziumbatterien?

Kalziumbatterien gehören zur Gruppe der Metall-Ionen-Batterien. Im Prinzip funktionieren sie ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien: Kalzium-Ionen werden zwischen der Anode (negativer Pol) und der Kathode (positiver Pol) hin- und hertransportiert, wodurch elektrische Energie gespeichert und wieder abgegeben wird. Das Besondere an Kalzium ist seine hohe chemische Reaktivität und die zweifach positive Ladung der Ionen (Ca²⁺). Dadurch kann es theoretisch mehr Energie pro Gewichtseinheit speichern als Lithium.

Ein weiteres Plus von Kalzium: Es ist eines der häufigsten Elemente der Erde – etwa 2.500-mal häufiger als Lithium. Das macht es auf lange Sicht deutlich nachhaltiger und wirtschaftlicher. Doch die Forschung hatte lange Probleme, Kalzium in Batterien nutzbar zu machen. Das größte Hindernis war die geringe Beweglichkeit der Kalzium-Ionen im Elektrolyten, was zu langsamen Ladezeiten und einer kurzen Lebensdauer führte.

Ein echter Durchbruch: Die Kalzium-Luft-Batterie der Fudan-Universität

Wissenschaftler der Fudan-Universität in Shanghai haben nun eine Lösung gefunden. Ihnen ist es gelungen, eine Kalzium-Luft-Batterie zu entwickeln, die unter normalen Bedingungen stabil arbeitet.

Der Clou: Sie setzen Kalziumperoxid als Reaktionspartner im elektrochemischen Prozess ein. Dadurch konnte die Speicherkapazität um fast 50 % im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien gesteigert werden. Ein riesiger Fortschritt, denn mehr Speicherdichte bedeutet entweder kompaktere Batterien oder längere Laufzeiten – beides entscheidende Faktoren für die Elektromobilität.

Noch beeindruckender ist die Lebensdauer: Die neue Kalzium-Luft-Batterie hat bereits über 700 Ladezyklen durchlaufen. Zum Vergleich: Viele Lithium-Ionen-Batterien beginnen bereits nach 500-1.000 Zyklen spürbar an Kapazität zu verlieren. Das Ergebnis zeigt also, dass Kalzium-Akkus nicht nur leistungsfähiger, sondern auch langlebiger sein könnten.

Herausforderungen auf dem Weg zur Marktreife

Trotz dieser bahnbrechenden Fortschritte sind noch einige Hürden zu überwinden.

Effizienz: Die neuen Batterien haben zwar eine hohe Kapazität, aber der Lade-Wirkungsgrad muss noch weiter verbessert werden. Derzeit gehen noch zu viele Verluste im Ladeprozess verloren.
Ladezyklen: 700 Ladezyklen sind beeindruckend, aber für den alltäglichen Einsatz – insbesondere in Elektrofahrzeugen – wären mindestens 1.500 Zyklen nötig, um mit aktuellen Lithium-Akkus mithalten zu können.
Temperaturstabilität: Ein weiterer Knackpunkt ist die Performance bei extremen Temperaturen. Während Lithium-Ionen-Batterien bei niedrigen Temperaturen ebenfalls Einbußen haben, zeigen Kalzium-Akkus hier noch größere Schwächen. Gerade für den Automobilsektor muss das gelöst werden.

Forscher sind jedoch optimistisch: Die Fortschritte der letzten Jahre zeigen, dass Kalziumbatterien eine ernstzunehmende Alternative werden könnten – sofern die letzten technologischen Hürden genommen werden. Welche Herausforderungen es noch gibt und wie nahe wir der Marktreife wirklich sind, untersuchen wir im nächsten Kapitel.

Marktreife: Wie weit sind Kalziumbatterien noch entfernt?

Die Kalziumbatterie klingt nach der perfekten Lithium-Ionen-Alternative: kostengünstiger, nachhaltiger und mit einer höheren Speicherkapazität. Doch trotz der bahnbrechenden Fortschritte, wie sie etwa die Forscher der Fudan-Universität in Shanghai erzielt haben, bleibt die Technologie noch ein gutes Stück von der Massenproduktion entfernt. Bevor der erste Elektroautohersteller Kalzium-Akkus in seine Flotte integriert, sind noch einige Hürden zu überwinden.

Die größten technischen Herausforderungen

Bevor Kalziumbatterien in großem Maßstab auf den Markt kommen, müssen sie vor allem eines bieten: eine lange Lebensdauer. Lithium-Ionen-Akkus können je nach Anwendung 1.500 bis 3.000 Ladezyklen überstehen, bevor ihre Kapazität stark nachlässt. Die bisher beste Kalzium-Luft-Batterie – das Modell der Fudan-Universität – kommt gerade mal auf 700 Zyklen. Um konkurrenzfähig zu sein, muss diese Zahl mindestens verdoppelt werden.

Ein weiteres Problem ist die Elektrolytstabilität. Kalzium neigt dazu, mit vielen üblichen Batterie-Elektrolyten zu reagieren, was seine Leistungsfähigkeit einschränkt. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeiten derzeit an neuen Elektrolytmischungen, die Kalzium stabilisieren sollen, doch ein optimales Material wurde bislang nicht gefunden.

Wer treibt die Entwicklung voran?

Die Erforschung neuer Batterien ist teuer, und nur mit ausreichend Mitteln lassen sich technologische Hürden aus dem Weg räumen. Glücklicherweise stehen Kalziumbatterien mittlerweile im Fokus einiger bedeutender Wissenschaftler und Unternehmen:

Das Helmholtz-Institut Ulm unter Leitung von Maximilian Fichtner untersucht die Effizienz verschiedener Kalziumverbindungen und optimiert die chemische Zusammensetzung der Elektroden.
Die Fudan-Universität forscht intensiv an atmungsaktiven Kalzium-Luft-Batterien und hat bereits erste vielversprechende Zellen vorgestellt.
Europäische Batteriehersteller wie Akkvita haben angekündigt, ab 2027 erste Testmodelle in Pilotprojekten zu erproben.

All diese Akteure spielen eine entscheidende Rolle dabei, die Batterietechnologie auf die nächste Stufe zu heben.

Wie viel Geld steckt hinter Kalziumbatterien?

Ohne massive Investitionen bleiben vielversprechende Ideen in den Laboren stecken. Bislang konzentrierte sich die Industrie vorrangig auf Lithium-Technologien, doch das ändert sich langsam. Allein im Jahr 2024 flossen mehrere hundert Millionen Euro in die Forschung neuer Batteriespeichertechnologien, darunter auch Kalzium-Varianten.

Die EU hat bereits angekündigt, alternative nachhaltige Energie-Speicher mit Milliardenbeträgen zu fördern, um Europas Abhängigkeit von importiertem Lithium zu reduzieren. Internationale Investoren schauen bereits gespannt auf diesen Markt.

Wann könnten erste Kalziumbatterien verfügbar sein?

Derzeit befindet sich die Technologie noch in einem experimentellen Stadium. Aber mit jedem neuen Durchbruch wächst die Hoffnung, dass Kalzium-Akkus bald zur echten Alternative werden. Experten schätzen, dass erste Prototypen in spezialisierten Anwendungen – etwa als stationäre Batteriespeicher – bis 2028 marktfähig sein könnten. Für den Einsatz in der Elektromobilität müssen jedoch größere Fortschritte gemacht werden, sodass erste Fahrzeuge mit Kalziumbatterien wohl frühestens in den 2030er-Jahren serienreif sein werden.

Bis dahin bleibt noch einige Arbeit zu tun – doch der Weg ist geebnet.

Warum Kalzium eine bessere Wahl für die Umwelt ist

Die problematische Ökobilanz von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien haben die moderne Elektromobilität und Energiespeicherung revolutioniert. Doch ihr Erfolg hat einen hohen Preis – vor allem für die Umwelt. Die Gewinnung von Lithium ist energieintensiv und hinterlässt gravierende ökologische Schäden.

Ein besonders kritischer Punkt ist der Wasserverbrauch. In den großen Lithium-Abbaugebieten wie Chile und Bolivien werden Sole-Lagerstätten genutzt, aus denen Lithium durch Verdunstung extrahiert wird. Dabei verdampfen enorme Mengen an Wasser – oft in ohnehin trockenen Regionen. Zum Vergleich: Zur Gewinnung einer Tonne Lithium werden bis zu 2 Millionen Liter Wasser benötigt. Das führt zu sinkenden Grundwasserspiegeln und bedroht die Landwirtschaft vor Ort.

Hinzu kommen weitere Umweltprobleme: Der Abbau und die Verarbeitung von Lithium hinterlassen giftige Rückstände, etwa Schwefelsäure oder Schwermetalle. Zudem ist Lithium nicht unendlich verfügbar. Schätzungen gehen davon aus, dass bei steigendem Bedarf die Lithium-Reserven deutlich schneller schrumpfen als bislang angenommen.

Kalzium: Ein nachhaltigerer Batteriespeicher

Kalziumbatterien bieten hier eine umweltfreundlichere Alternative. Der wichtigste Vorteil: Kalzium ist eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste – es kommt etwa 2.500-mal häufiger vor als Lithium. Das bedeutet, dass der Abbau nicht auf wenige Regionen beschränkt ist und keine umweltschädlichen Methoden wie Verdunstungsteiche erfordert.

Ein weiterer Punkt ist die Energieeffizienz der Kalziumgewinnung. Im Gegensatz zu Lithium kann Kalzium aus weit verbreiteten Rohstoffen wie Kalkstein oder Gips gewonnen werden, oft durch einfache mechanische Verfahren statt durch chemische Extraktion. Dadurch fallen weniger Schadstoffe an, und der Energiebedarf ist geringer.

Auch beim Recycling hat Kalzium einen Vorteil. Während das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien noch immer komplex und teuer ist, lassen sich Kalziumbasierte Batterien – zumindest theoretisch – einfacher zurückgewinnen. Erste Forschungsansätze zeigen, dass Kalziumverbindungen leichter aufbereitet und wiederverwendet werden können, ohne dabei große Mengen giftiger Abfallstoffe zu hinterlassen.

Langfristige Nachhaltigkeitsvorteile

Ein zentraler Vorteil von Kalziumbatterien ist ihre potenzielle Langlebigkeit. Zwar sind Lithium-Ionen-Akkus heute noch führend in Sachen Ladezyklen, doch die Forschung zeigt vielversprechende Ergebnisse: Eine Kalzium-Luft-Batterie der Fudan-Universität konnte bereits über 700 Ladezyklen erreichen. Langfristig könnte diese Technologie sogar haltbarer sein als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien – und damit weniger Ersatz und weniger Abfall bedeuten.

Auch wirtschaftlich könnte Kalzium langfristig punkten. Da es weit verbreitet ist, sind Lieferengpässe oder geopolitische Konflikte um Rohstoffe unwahrscheinlicher als bei Lithium. Das senkt nicht nur Kosten, sondern trägt auch zur globalen Versorgungssicherheit bei.

Natürlich sind Kalziumbatterien noch nicht perfekt. Noch gibt es Herausforderungen, etwa bei der Elektrolyt-Stabilität oder der Ladegeschwindigkeit. Doch die Zeichen stehen gut: Wenn diese Probleme gelöst werden, könnten sie zu einer umweltfreundlicheren und nachhaltigeren Batterie-Alternative werden – ohne die massiven ökologischen Folgen der Lithium-Gewinnung.

Fazit

Kalziumbasierte Batterien haben das Potenzial, eine umweltfreundlichere und kostengünstigere Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus zu werden. Forschungsergebnisse zeigen vielversprechende Fortschritte, insbesondere verbesserte Kapazitäten und eine höhere Lebensdauer. Doch bis zur Marktreife gibt es noch große Herausforderungen – insbesondere die Anzahl der Ladezyklen und die langfristige Stabilität müssen verbessert werden.

Die Verfügbarkeit von Kalzium macht diese Batterien besonders attraktiv. Während Lithium unter schwierigen Bedingungen gefördert werden muss und ökologische Schäden verursacht, könnte Kalzium deutlich nachhaltiger genutzt werden. Auch wirtschaftlich könnte die Technologie eine Wende in der Batterieindustrie einleiten, wenn Skalierung und Massenproduktion erstmal bewältigt sind.

Ob wir Kalzium in naher Zukunft in Elektrofahrzeugen sehen werden, bleibt offen. Doch die Forschung schreitet schnell voran. In wenigen Jahren könnten wir eine echte Alternative zu Lithium auf dem Markt haben.

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