Auf der Suche nach der Super-Batterie

Antriebsbatterien für Elektroautos haben noch Potenzial: Die Ladezeiten werden kürzer, die Reichweiten größer, und die Lebensdauer wird länger werden. Forscher arbeiten an der Zukunft der Zellen und damit an der gesamten Elektromobilität.

Der Erfolg von Elektroautos steht und fällt mit der Batterietechnologie. Grundsätzlich funktioniert ein Akku so, dass chemische in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Prozess ist umkehrbar: Man führt elektrische Energie zu und bringt die chemische in ihren Ausgangszustand. „Das Schöne daran ist: Man kann es so gestalten, dass es hochenergetisch, hochreversibel und hocheffizient ist. Dadurch sind Akkus auch interessant für den Antrieb von Autos geworden“, sagt Prof. Martin Winter, Leiter des Meet-Batterieforschungszentrums an der Universität Münster und Direktor des Helmholtz-Instituts Münster.

Was kommt nach der Lithium-Ionen-Technologie?

Derzeit ist die Lithium-Ionen-Technologie in der Anwendung bei Elektroautos konkurrenzlos. „Qualität, Leistung, Lebensdauer und Kosten: Keine andere Batterietechnologie erfüllt diese Faktoren gleichermaßen“, sagt Andreas Docter, Leiter Batterieentwicklung bei der Daimler AG. „Durch die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technologie sind Reichweiten um die 500 Kilometer bereits in greifbare Nähe gerückt, und Ladezeiten können perspektivisch – dank der Schnellladetechnologie – enorm reduziert werden.“

Als eine der größten Herausforderungen mit Blick auf die kommenden Fahrzeuggenerationen sieht er die Größe der Batterien. Aber auch hier, bei der Energiedichte pro Volumen, ist die Lithium-Ionen-Technologie derzeit weit vorn.

Machbarkeit nicht mit Serientauglichkeit verwechseln

Auf dem Weg zur Super-Batterie der Zukunft ergeben sich immer wieder neue wichtige Meilensteine – einen solchen fand zuletzt ein Forscherteam der Universität von Texas um den Wissenschaftler John Goodenough, der als einer der Väter der Lithium-Ionen-Technologie gilt. Sein Ansatz: das flüssige Elektrolyt, das die Ionen zwischen Plus- und Minuspol transportiert, durch einen Festkörper zu ersetzen, in diesem Fall Glas. Dadurch würde die Batterie, bei der Lithium durch das öfter vorkommende Natrium ersetzt wird, günstiger im Preis, langlebiger, böte höhere Energiedichte und Sicherheit – denn die potenzielle Brandgefahr moderner E-Autos geht vor allem vom flüssigen Elektrolyt aus.

Allerdings darf die technische Machbarkeit nicht mit Serientauglichkeit verwechselt werden. „Vom Labor auf die Straße dauert es Jahre“, gibt Prof. Winter zu bedenken. Andere Technologien wie etwa Magnesium-Akkus versprächen zwar weitere Vorteile, doch befänden sich wie Metall-Luft-Technologien noch in der Grundlagenforschung.

Hoffnungsträger Lithium-Metall-Technologie

Um die Lithium-Ionen-Technologie voranzubringen, wird derzeit mit Silizium als Elektrodenmaterial experimentiert. Das Halbmetall kann die Kapazität des Stromspeichers und damit Reichweiten im Elektroauto deutlich erhöhen. Nachteil ist die Haltbarkeit: Bei Silizium wächst das Volumen der negativen Elektrode stark, beim Laden und beim Entladen schrumpft es wieder. „Dies führt langfristig zu Schäden und Rissen in der Elektrode“, sagt Prof. Ulrich Schubert, Batterieexperte vom Center for Energy and Environmental Chemistry Jena.

Vielversprechend ist auch die Lithium-Metall-Technologie, bei der statt des ionischen Lithiums metallisches Lithium verwendet wird. Der größte Vorteil liegt in der höheren Energiedichte. Wird die Technologie mit einem Festelektrolyten kombiniert, kann man zugleich die Brandgefahr reduzieren. Doch auch die Lithium-Schwefel-Batterien werden laut Prof. Schubert erst in den nächsten 15 bis 20 Jahren serienreif bei der Elektromobilität sein.

Auf dem Weg zu einer besseren Ökobilanz

Der Grad, in dem Antriebsbatterien besser werden, wird aufgrund des optimierten praktischen Nutzens Elektroautos massentauglicher machen. „Die Akzeptanz der Kunden ist maßgeblich für den Durchbruch und Erfolg der Elektromobilität“, sagt Daimler-Mitarbeiter Docter. Neben den Kosten spielt dabei auch der Ökoaspekt eine tragende Rolle. „Bei der Batterieherstellung werden je kWh 150 bis 200 kg Kohlendioxid emittiert“, sagt Prof. Schubert. So gesehen fahre ein E-Auto im Vergleich zu einem Benziner erst nach rund 70.000 bis 90.000 Kilometern im grünen Bereich – je nach aktuellem Stand der Technik und Strommix.

Sein Kollege Winter ist trotzdem von der Zukunft des Batterieautos überzeugt – angesichts eines wachsenden Anteils regenerativ erzeugten Stroms, guter Recyclingmöglichkeiten und sogenannter „Second-Life-Option“, also einer Zweitverwendung z.B. als  Kellerspeicherbatterien für die Fotovoltaik, sowie der Optimierung der Batterietechnologie selbst: „Wenn wir es richtig machen, spricht die Zukunft ganz klar für die ökologische Überlegenheit des Batterieantriebs.“

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