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Die Zukunft der E-Auto-Batterien
VW

Unklarheiten zur Zukunft

Die Batterie ist das Herzstück eines Elektroautos. Intensiv wird deshalb an Anoden, Kathoden, Elektrolyten und Co geforscht und unter anderem mit Magnesium, Natrium, Sauerstoff und Schwefel experimentiert. Doch was muss der Akku der Zukunft können? Und wieso ist die Wasserstoffbrennstoffzelle keine Batterie-Alternative für den breitflächigen Einsatz in Pkw?

Elektroautos haben eine erstaunlich lange Geschichte. Und dennoch scheint ihnen erst jetzt die Zukunft zu gehören. Denn der offensichtliche Klimawandel, die spürbaren negativen Folgen der Abhängigkeit von fossilen Kraftstoffen und nicht zuletzt das gewachsene Angebot an E-Autos schieben die Nachfrage derzeit kräftig an. Und alles deutet darauf hin, dass der E-Antrieb diesmal gekommen ist, um zu bleiben.

So sehr die konventionellen Motoren in den vergangenen Jahrzehnten von Innovationen getrieben waren, so rasch schreitet die Entwicklung bei der Elektrifizierung der Fahrzeuge voran. Ein zweischneidiges Schwert, weil einerseits dadurch Alltagstauglichkeit, Reichweite und Ladeleistungen weiter optimiert werden. Andererseits wartet ein nicht kleiner Teil der interessierten potenziellen E-Autofahrer gegenwärtig mit dem Kauf auf die nächste technische Entwicklungsstufe, wann auch immer die kommen wird. Das schafft Verunsicherung, denn niemand will in wenigen Jahren einen Quasi-Neuwagen fahren, der technisch überholt ist. Die primäre Frage ist also: Lohnt sich das Warten? Weil: Welches Potenzial schlummert noch in der Lithium-Ionen-Technologie? Oder versprechen andere Zelltypen doch so viel mehr Sicherheit und Reichweite? Und wann kommt endlich die Feststoffbatterie zum Serieneinsatz? Antworten auf all diese Fragen hat Professor Manfred Schrödl, Vorstand des Instituts für Energiesysteme und Elektrische Antriebe der Technischen Universität Wien, der über aktuelle Entwicklungen die Zukunft der Elektroautobatterien betreffend bestens informiert ist.

Li-Io-Akku: noch 50 Prozent Potenzial
De facto alle Elektro-Pkw-Akkus basieren derzeit auf der Lithium-Ionen-Technologie. Das ist kein Wunder, bringt der Zelltyp doch viele Vorteile mit. Dazu zählen etwa eine hohe Energiedichte, eine lange Lebensdauer, die Schnellladefähigkeit und die Bereitstellung von hohen Stromstärken. Außerdem weist sie eine äußerst geringe Selbstentladefähigkeit auf und kennt keinen Memory-Effekt. Dafür fühlt sie sich nur bei optimalen Temperaturen wirklich wohl. Und das reaktionsfreudige Lithium hat ihr den Ruf einer brandgefährlichen Diva eingebrockt. Die Vorteile überwiegen aber schon jetzt die Nachteile, wobei die Wissenschaft noch viel Potenzial erkennt, wie Schrödl klarstellt: „Die Energie- beziehungsweise Leistungsdichte hat sich in den vergangenen zehn Jahren fast verdoppelt. Dabei sind die theoretischen Grenzwerte auch heute noch lang nicht erreicht. Ich gehe davon aus, dass die Energiedichte in den nächsten Jahren nochmals um mindestens 50 Prozent gesteigert werden kann. Fakt ist also, Lithium-Batterien werden noch einige Jahre die führende Technologie bleiben.“

Doch freilich wird auch an anderen Zelltypen geforscht. Dabei sind vor allem Natrium und Magnesium vielversprechend, wie Schrödl konkretisiert: „Beide sind prinzipiell gut geeignet, das Lithium zu ersetzen. Der Vorteil dieser leichten Metalle ist die sehr gute Verfügbarkeit, Natrium ist praktisch unbegrenzt vorhanden. Allerdings sind die Atome von Natrium und Magnesium größer als jene von Lithium, wodurch die Akkus nicht so kompakt gebaut werden können.“

Hoffnung und Herausforderung
Als das heißeste Eisen im Feuer gelten aber Feststoffbatterien. In ihnen wird der derzeit flüssige Elektrolyt, der den Ionentransport zwischen Anode und Kathode ermöglicht, durch eine feste, kristallförmige Struktur ersetzt. Dadurch eliminiert sich die Brandgefahr. Schrödl: „Als Materialien für den Elektrolyten kommen Polymere beziehungsweise Keramiken aus Schwefel- oder Sauerstoffverbindungen infrage. Im Moment ist aber noch nicht klar, was sich langfristig durchsetzt.“ Fakt ist, dass die Feststoffbatterie dadurch wesentlich sicherer ist und auch höhere Temperaturen besser verträgt. Außerdem kann die große Graphitanode durch eine sehr dünne Lithiumschicht ersetzt werden: „Diese Metallschicht wird aus den wandernden Lithium-Ionen selbst aufgebaut. Die Herausforderung ist, dass diese Metallschicht gleichmäßig auf der gesamten aktiven Fläche entsteht, daran wird gerade intensiv geforscht.“ Auch in Europa, wie Schrödl beschreibt: Die Forschungsinstitute konzentrieren sich vor allem auf Verbesserungen in den Anoden-, Kathoden- und Elektrolytmaterialien und deren Strukturen sowie in den Grenzschichten dazwischen. Gelingt diese Optimierung der Graphitanode, dann kann die Batterie außerdem wesentlich kompakter aufgebaut werden, wobei Schrödl von einem „Einsparpotenzial von circa einem Drittel des Volumens beziehungsweise des Gewichts“ ausgeht. Das heißt: Feststoffakkus wären nicht nur sicherer und umweltfreundlicher, sondern auch kleiner und leichter, was wiederum die Effizienz der E-Autos weiter steigern würde.

Doch wie vieles hat auch die Feststoffbatterie (noch) einen Nachteil, wie der Universitätsprofessor erklärt: „Der feste Elektrolyt hat bis jetzt eine schlechtere Ionenleitfähigkeit. Diese zu verbessern, ist aktuell ebenfalls Gegenstand der Forschung, wobei ich damit rechne, dass noch etwa fünf Jahre bis zu serienfähigen Lösungen vergehen werden.“ Gelingt das, wäre man nah am Ziel des Super-Akkus: „Durch die eliminierte Brandgefahr aufgrund des kristallinen Elektrolyten kann mit höheren Strömen geladen werden. Und durch den Wegfall der massiven Graphitanode kann mindestens ein Drittel mehr Energie – und damit auch ein Drittel höhere Reichweiten – gegenüber einer Flüssigelektrolyt-Batterie im gleichen Bauraum verbaut werden.“ Schon bald könnten laut Schrödl „preisgünstige Mittelklassefahrzeuge im Winter 500 Kilometer Reichweite“ bieten.

Wasserstoff nicht vergeuden
Einen massiven Rollout des Wasserstoffantriebs im Pkw-Bereich sieht der Universitätsprofessor übrigens kritisch: „Elektrofahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzelle haben nur dort eine Berechtigung, wo kein Akkubetrieb sinnvoll möglich ist. Die Gründe dafür liegen in der Energieeffizienz und den Investment- und Betriebskosten. Das bedeutet, wir brauchen den regenerativ zu erzeugenden Wasserstoff für die Chemie- und Stahlindustrie sowie für die Winterstromerzeugung in Gaskraftwerken mit Fernwärmeauskopplung. Wir dürfen ihn daher nicht in Kraftfahrzeugen vergeuden.“

Fast-Facts zur Batterieentwicklung

- Lithium-Ionen-Akkus haben noch das Potenzial für eine Leistungssteigerung von rund 50 Prozent
- Natrium-Ionen-Akkus sind vielversprechend, weil Natrium quasi unendlich verfügbar ist
- Magnesium hat den gleichen Sicherheitsnachteil wie Lithium: Es reagiert mit der Luft
- Akkus werden künftig eine kleinere Bauform – bei gleicher Leistungsfähigkeit – aufweisen
- Feststoffakkus werden in circa fünf Jahren erstmals in der Serie zum Einsatz kommen
- Preisgünstige Mittelklassefahrzeuge könnten dann auch im Winter 500 Kilometer weit fahren
- Feststoffbatterien vertragen hohe Temperaturen beim Schnellladen deutlich besser als Lithium-Ionen-Akkus

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