Der Ansatz versucht, Bestandteile der Kathode und/oder Anode der Batteriezelle zu ersetzen. Dazu gibt es einige Möglichkeiten, die Chancen auf eine erfolgreiche Umsetzung bieten.

Als Schlusselelement für Lithium-Ionen-Batterie (LIB) Systeme gelten die Lithium-Metall-Anoden, durch welche sich sowohl die volumetrischen als auch die gravimetrischen Energiedichten wesentlich erhöhen lassen wurden. Bei diesen Anoden wird auf das - wie beispielsweise im Anodenmaterial Graphit vorhandene - Wirtsgitter verzichtet. Bei Aufladevorgangen hat das System jedoch mit Dendritenwachstum zu kampfen, welches zu einem Kurzschluss der Zelle fuhren kann. Diese und weitere Herausforderungen gilt es zu meistern, bevor die Lithium- Metall-Anode Marktreife erlangen kann [KLiB21h].

Eine weitere Moglichkeit bestunde darin, den Rohstoff Lithium mit Natrium oder Aluminium zu ersetzen. Daran wird zurzeit in den Projekten Transition beziehungsweise Alibatt im Rahmen der Forderinitiative Batterie 2020 des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) [KLiB21a] als auch im Exzellenzcluster POLiS [KIT21] geforscht. Die beiden Materialien bieten gegenuber Lithium einige Vor- wie auch Nachteile.

Natrium ist aufgrund seiner hohen naturlichen Vorkommnisse sehr gunstig. Da Natrium-Ionen jedoch vergleichsweise schwerer und großer sind, besitzen Natrium-Ionen-Batterien (NIB) gegenuber Lithium-Ionen- Batterien (LIB) geringere Energiedichten. Zudem weisen NIB eine circa 0,3 Volt geringere Zellspannung auf. Fur die Anwendung in Festkorperbatterien eignen sich jedoch die Natrium-Ionen besser, da sie schnell durch Festkorperelektrolyte diffundieren [KLiB21b].
Auch bei der Verwendung von Aluminium anstelle des Lithiums ist mit geringeren Kosten zu rechnen. Zudem benotigen Aluminium-Ionen-Batterien theoretisch nur ein Viertel des Platzes von vergleichbaren LIB bei gleicher Kapazitat, was sich positiv auf die volumetrische Energiedichte auswirkt. Dafur sind sie jedoch schwerer als LIB, was eine kleinere gravimetrische Energiedichte bedeutet [KLiB21c].

Beide Batteriesysteme, die NIB als auch die Aluminium-Ionen-Batterien, befinden sich in der Entwicklungsphase und noch fehlt der Nachweis, dass sie wirtschaftlich anwendbar sind. Die NIB stehen jedoch deutlich naher an der Markteinfuhrung, werden aber aufgrund der geringen Energiedichte voraussichtlich zunachst im stationaren Bereich eingesetzt [KIT21a].

Eine weitere Möglichkeit ist es, dass Lithium mit Kalzium zu ersetzen. Hier gelang Forschenden des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie zuletzt ein Durchbruch, da sie die bisher auf 75 Grad begrenzte Ladungstemperatur auf die Umgebungstemperatur absenken konnten. Großer Vorteil von Batterien auf Grundlage von Kalzium ist, dass dieses Element wesentlich häufiger vorkommt und wesentlich sicherer abgebaut werden kann. [Kemp19; [ZhXi22]]. Im Rahmen des im September des Jahres 2022 gestarteten Verbundprojektes CaSino wird das Potential von Calcium-Schwefel Batterien als Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien ermittelt [DLR22a].

Zudem ist die Verwendung von Silizium als Aquivalent fur das Graphit. Wissenschaftler der Christian- Albrechts-Universitat Kiel zeigten das hohe Speicherpotential und die potentiell hohe Energiedichte von Silizium auf. Zudem ist Silizium eines der haufigsten vorkommenden Elemente der Welt. Im vom BMBF geforderten Projekt KaSiLi forschten Wissenschaftler des Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Stahltechnik (IWS) und der Technischen Universität Dresden an der Entwicklung einer solch hochenergetischen Batterie-Elektrode [IWS19]. Die Idee bestand darin, die Graphit-Anoden der Batteriezelle durch vollstandige Silizium-Anoden zu ersetzen. Anders als Lithium ist das Halbmetall Silizium nicht entzundlich. Bislang galt die mechanische Stabilitat von Silizium, die Grundlage fur eine lange Lebensdauer ist, als problematisch. Durch seine hohe Energiedichte nimmt dieses Anodenmaterial besonders viele Lithiumionen auf und kann sich dadurch um bis zu 400 Prozent ausdehnen. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde aufgezeigt, dass ein neu strukturiertes Material dieses Problem beseitigen kann. Das sonst sprode Silizium kann mit einer Mikrostruktur als dunner Draht eine ausreichende Flexibilitat aufweisen, um Dehnungen standhalten zu konnen, Vergleich [Grae18]. Das US-Unternehmen Enevate, welches solche Batterien entwickelt, verspricht eine Ladung der Batterie auf 75 Prozent, was einer Reichweite von 400 Kilometer entspricht, innerhalb eines Ladevorgangs von nur 5 Minuten [Enev21]. Dies macht die Technologie hochst interessant fur die Anwendung im Bereich der Elektromobilitat.

Auch die Methode der Lithium-Luft-Batterie gilt als eine zielfuhrende Losung. Anders als beim klassischen Batteriesystem besteht eine Elektrode aus Lithium und die weitere Elektrode aus Kohlenstoff mit einer standigen Sauerstoffzugabe. Durch diese Methode kann eine Energiedichte erreicht werden, die etwa das zehnfache der derzeitigen Batteriesysteme betragt. In der Praxis erreicht die Batterie allerdings nur eine Lebensdauer von einigen Ladezyklen und leidet unter relativ hohen Spannungsverlusten beim Laden und Entladen. Im Rahmen der Forderinitiative Batterie 2020 werden deswegen in mehreren Projekten Losungsansatzen hierfur erarbeitet. Im Projekt AMaLiS forschten die Wissenschaftler zu Komponenten fur die Lithium-Luft Batterie, deren Einsatz zu Zyklenstabilitat sowie einer hoheren Effizienz fuhren sollen. Das Ziel des Projektes, die Entwicklung eines Prototypens, sollte die wirtschaftliche Anwendbarkeit des Batteriesystems nachweisen [KLiB21d]. Das Projekt wurde durch AMaLiS 2.0 erweitert [DaBr23]. Auch im Projekt MeLuBatt wurden nach Losungen gesucht, die die Lebensdauer der Lithium-Luft-Batterie deutlich erhohen sollten [KLiB21k]. In weiteren Projekten dieser Forderinitiative wird an Metall-Luft-Batterien geforscht, bei denen das Lithium durch Eisen [KLiB21e] oder Zink [KLiB21f] ersetzt wird. Diese Technologien sind jedoch noch weit von der Marktreife entfernt.

Schließlich wird auch an Metall-Schwefel Batterien geforscht, bei denen es sich perspektivisch um besonders kostengunstige Batterien handeln wird, denn der reichlich vorhandene Schwefel wurde die seltenen Rohstoffe Cobalt und Nickel ersetzen. Jedoch hat selbst die am weitesten entwickelte Batterie dieser Technologie, die Lithium-Schwefel-Batterie, bisher noch keine Marktreife erlangt. Insbesondere die noch sehr begrenzte Lebensdauer von weniger als 200 Be- und Entladezyklen macht der Technologie zu schaffen [KLiB21h]. An Losungsansatzen fur die Degradierung innerhalb der ersten Ladezyklen wird deswegen intensiv geforscht [KLiB21i; KLiB21j].

Die Forschungen zu weiteren Metall-Schwefel-Batterien wie der Magnesium-Schwefel- und Natrium-Schwefel- Batterien befinden sich noch in den Anfangsstadien [KLiB21g; ISI17c].