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DIE SUPERBATTERIE KOMMT – NUR WANN? UND WELCHE TECHNIK SETZT SICH DURCH?


arrive - epaper ⋅ Ausgabe 2/2020 vom 31.01.2020

GLEICH MEHRERE FORSCHUNGSEINRICHTUNGEN UND AUTO-KONZERNE WELTWEIT ARBEITEN AN DEN REICHWEITEN-WUNDERN VON MORGEN. WER MACHT ABER DAS RENNEN BEI DEN ENDVERBRAUCHERN? ARRIVE GIBT EINEN EIN- UND AUSBLICK AUF DIE WICHTIGSTEN BATTERIE-INNOVATIONEN.


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Bildquelle: arrive, Ausgabe 2/2020

Die Menge der Projekte und Forschungen ist unüberschaubar. Experimentiert wird mal mit, mal ohne Lithium, oft unterscheiden sich die zu entwickelten oder noch zu entwickelnden Substanzen und Verfahren erheblich. Das Ziel ist aber immer das gleiche. Die Batterie soll billiger, kompakter, leichter und möglichst materialschonend immer mehr Reichweite erzeugen. Dabei ...

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... sind diese Teilziele nicht immer gleichzeitig zu erreichen. Denn das Lithium im Akku hat leider gewisse technische Nachteile, mal ganz abgesehen vom Abbau des Metalls, das nur in bestimmten Regionen der Erde überhaupt wirtschaftlich sinnvoll ist.

Wird ein Lithium-Ionen-Akku aufgeladen, lagern sich Lithium-Ladungsträger in einer Elektrode ein, einer Schicht aus Kohlenstoff. Wenn die Batterie dann schnell lädt, besteht die Gefahr, dass die Ladungsträger auf der Oberfläche der Elektrode haften bleiben und dort eine metallische Schicht bilden. So kommt es, dass die Leistung sich verringert. Gelegentlich kommt es bei den chemischen Prozessen sogar zu Kurzschlüssen. Dann ist die Batterie sogar unbrauchbar.

Auch in Deutschland wird viel auf dem Batterie-Sektor geforscht, um die Akkus zu optimieren oder um sich vom Lithium verabschieden zu können. Selbst Auto-Konzerne, allen voran VW, geben teilweise beträchtliche Summen aus, um mit der Reichweite weiter voranzukommen und damit den Endverbraucher final überzeugen zu können. Und nicht nur die größeren Institute wie das KIT in Karlsruhe, die Institute der Fraunhofer-Gesellschaft, das Forschungszentrum Jülich oder das MEET in Münster: Sie alle und noch viele weitere Forschungseinrichtungen verfolgen vielversprechende Projekte in Ihren Reihen. Die meisten Forschungen konzentrieren sich darum entweder auf die Optimierung der chemischen Prozesse in einer Lithium-Ionen-Batterie oder bemühen sich um Austauschmaterialien, die zur Folge haben, dass die ganze Batterie schließlich anders angelegt ist.

OPTIMIERUNG DER ZELLEN STEHT IM VORDERGRUND

Im Fall der bereits mehrfach hochgelobten Entwicklung der US-amerikanischen Pennsylvania State University, wurde der erste Weg gewählt. Man blieb bei Lithium als entscheidendem Material. Allerdings wurden die Akkus mit dünnen Folien aus Nickel ausgekleidet, was Ihnen den entscheidenden Unterschied zu anderen Akkus verlieh. Diese Prototyp-Batterie des US-Forschungsteams um Zell-Spezialist Chao-Yang Wang lässt sich innerhalb von 10 Minuten vollständig aufladen. Nicht schlecht, wenn man bedenkt, dass die meisten Batterien mindestens 25 Minuten brauchen und sich für die letzten 20 % bis zur vollen Ladung noch besonders viel Zeit lassen.

Bei dem neuartigen US-Akku soll das angeblich wegfallen bzw. umgangen werden, und zwar mit einer winzigen einge-bauten Akku-Heizung. Die wird bereits aktiv, bevor es zum eigentlichen Ladevorgang kommt. Nur für wenige Augenblicke fließt Strom durch eine dünne Nickelfolie der Lithium-Ionen-Batterie, erhöht damit die Temperatur in der Batterie auf 60 Grad, um dann innerhalb von 10 Minuten eine große Menge an Wärmeenergie in die Zelle zu pumpen. Die wiederum verhindert, dass sich die ungewollte Lithiumschicht bildet. Denn der Erhitzungsvorgang dauert nur wenige Minuten. So halten sich die üblen Nebenwirkungen in Grenzen. Selbst nach 2.500 Ladezyklen besaßen die Versuchs-Akkus noch 90 % ihrer Ladefähigkeit. Allerdings haben die Tests derzeit nur bedingten Aussagecharakter, da sie ausschließlich unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Der Praxistest auf der Piste steht noch aus.

Eine Technik, die sich um den Austausch des hochgiftigen Lithiums bemüht, verfolgt das vielversprechende US-Startup Tiax. Beim Bau der Akkus kommt ein neues Kathodenmaterial zum Einsatz, das einen starken Nickelanteil aufweist, dafür weniger teures Kobalt einsetzt und damit die Materialkosten senkt. Andere Wissenschaftler setzen weltweit in Projekten auf Silizium als Teil- oder gar Komplettaustauschstoff für Lithium.

Überhaupt könnte Silizium eine sehr wichtige Rolle in der Zukunft spielen. Ein interessantes Projekt verfolgt hier zum Beispiel die Uni Kiel mit einem Akku, bei dem das reine Silizium so oberflächenbe-arbeitet wird, dass die Zellen das Speicherpotenzial des Halbmetalls voll ausschöpfen können. Wichtig dabei zu wissen: Silizium-Anoden können etwa 10mal mehr Energie speichern als bisher eingesetzte Graphit-Anoden, die in normalen Lithium-Ionen-Akkus vorkommen. Damit ist nicht nur schnelleres Laden möglich, auch die Ladekapazitäten erhöhen sich beträchtlich. Zusätzlich werden die Akkus billiger. Und nicht zu unterschätzen: Silizium ist fast unbegrenzt verfügbar.

Diese Prototyp-Batterie des US-Forschungsteams um Zell-Spezialist Chao-Yang Wang lässt sich innerhalb von 10 Minuten vollständig aufladen.


Im Rahmen des Projekts Grimsel stellte 2016 das rein batteriebetriebene Experimentierfahrzeug einen neuen 0- bis-100-Weltrekord von 1,5 Sekunden auf.


Noch im Laborstadium: Komponenten der Lithium-Festkörperbatterie mit Hybridelektrolyt.


Die Prototyp-Batterie des US-Forschungsteams um Zell-Spezialist Chao-Yang Wang lässt sich innerhalb von 10 Minuten vollständig aufladen.


FESTSTOFFZELLEN UND FLUSSZELLEN

Bleiben noch als ganz große Hoffnungsträger die Feststoffbatterien und Flusszellen. Sie waren lange die Shooting-Stars am Forscher-Himmel. Allerdings wird auch hier noch etwas Wasser den Rhein runterfließen, ehe es zu echten Serienprodukten kommt. Vielleicht geht es hier aber doch viel schneller als viele vermuten. Die Feststoffbatterie geht unter anderem auf Henrik Fisker mit zurück. Sie kann innerhalb weniger Minuten mithilfe eines Schnellladers aufgeladen werden und soll, so sagt es Autobauer Fisker noch heute, für eine Fahrstrecke von fast 900 Kilometern reichen. Der große Vorteil der Technik liegt in der Unempfindlichkeit gegenüber starker Hitze, denn der Strom wird im Akku im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus, mittels eines flüssiges Elektrolyts erzeugt, das aufwendig gekühlt werden muss.

Bei der Feststoffzelle entfällt diese Kühlung, denn es enthält – ohne in technische Details zu gehen – ein festes Leitmedium zwischen Plus- und Minuspol. Sie verfügt zudem über eine höhere Leistungsund Energiedichte gegenüber den Lithium-Ionen-Akkus.Sowohl das Bündnis aus Renault, Nissan und Mitsubishi als auch Toyota und Volkswagen wollen eine serienreife Feststoffbatterie auf den Markt bringen. Es wird wohl erst bis 2025 dauern, bis diese Zellen zum Einsatz kommen.

Ganz anders ist das bei der Flusszellentechnologie. Sie galt ebenfalls einst als „Ablöse“ für die konventionelle Lithium-Ionen-Technik. An ihr wird ebenfalls geforscht. Flusszellen kommen in der Industrie bereits als Energie-Zwischenspeicher zum Einsatz. Bei der Technik bildet eine semipermeable Membran mit einer Elektrolytlösung auf beiden Seiten den Kern einer Zelle. Die Ionen diffundieren als Ladungsträger durch die Membran, was zu einer nutzbaren elektrischen Spannung führt. Durch das Anlegen von Spannung wird die Elektrolytlösung neu aufgeladen. Das Schweizer Unternehmen NanoFLOWCELL hat hier erste Testfahrzeuge auf der Straße. Mehr aber derzeit noch nicht.

Dass mitunter auch deutsche Konzerne verblüffend neue Wege beschreiten können, Akku-Technologie zu präsentieren, bewies jüngst Auto-Pionier Mercedes auf der CES in Las Vegas. Dort hatte der Konzern eine Kooperation mit den „Avatar“-Filme-Machern bekannt gegeben und zeigte eine Fahrzeug-Studie, die ganz besonders auf den Einklang mit der Natur setzt. Anders als bisherige E-Autos fuhr die Studie „Vision AVTR“ nicht mit einem herkömmlichen Akku vor, sondern mit einem, der auf so genannte „organische Batterietechnologie“ setzt. Der Stromspeicher braucht dabei weder Lithium noch seltene Erden, sondern basiert auf der Graphenbasis organischer Zellchemie. Der Öko-Akku ist damit nicht nur komplett recyclebar, sondern erreicht mit 1.200 Wh/Liter auch eine sehr hohe Energiedichte und ist sehr flach und kompakt. Die 110 kWh Energie sollen für 700 Kilometer reichen, das Laden dauert nur 15 Minuten.

ORGANISCHE TECHNIK KÖNNTE IN 10 JAHREN SERIENREIF SEIN

Einziger Wermutstropfen: Bis organische Batterien serienreif sind, werden noch gut ein bis zwei Jahrzehnte vergehen. Der Rest der zudem autonom fahrenden Mercedes-Studie ist weniger konkret auf Nachhaltigkeit ausgelegt, sondern zeigt eher, wie sich die Technik von Morgen an der Natur orientieren könnte. Die geschwungenen Formen, die ausgeklügelten Lichtspiele, Räder, die den Wagen auch seitwärts bewegen können und die verstellbaren Kacheln am Heck dürften vor allem Avatar-Fans ins Schwärmen bringen; weniger cineastisch Bewanderte denken bei den ausladenden Sitzen mit Bezügen aus alten PET-Flaschen vielleicht eher an Porzellan-Suppenlöffel aus dem China-Restaurant. Da harmoniert einfach die noch recht spacig wirkende Technik der Batterie exakt mit dem In- und Exterieur des Fahrzeugs. Sind die wesentlichen Forschungsschritte abgeschlossen, folgt der Weg der Technik ins Fahrzeug, dass auf der Piste oder unter Extrembedingungen getestet wird. Schon heute zeigen die konventionellen Lithium-Ionen-Batterien, wie leistungsfähig sie in Tests oder auf Rennstrecken sind. Danach ist der Weg in die Serie oft nicht mehr weit entfernt. Auf die Spitze getrieben wurde batterieelektrisches Beschleunigungspotenzial von Studenten der Universität Zürich bereits 2016 im Rahmen des Projekts Grimsel. Das rein batteriebetriebene Experimentierfahrzeug stellte schon damals einen neuen 0- bis-100-km/h-Weltrekord von 1,5 Sekunden auf. Fragen?

Venturi gilt als Pionier der neuzeitlichen E-Mobilität, deren Leistungsfähigkeit man mit dem Rekordfahrzeug Buckeye Bullet Streamliner unter Beweis gestellt hat.


E-Antriebe sind bereits heute nicht nur sprintstark, sondern bieten auch viel Potenzial bei der Endgeschwindigkeit. Vor allem auf der Schiene sind Verbrennersysteme den E-Antriebs-Pendants hoffnungslos unterlegen. Die schnellste Diesellok, die russische TEP80, schaffte 1992 immerhin 271 km/h. Der TGV 001 brachte es 1972 mit Gasturbine sogar auf 318 km/h. Fast 575 km/h waren es jedoch im Fall des rein elektrisch angetriebenen V150, den die staatliche französische Bahngesellschaft SNCF für eine Rekordfahrt 2007 einsetzte.

Nicht ganz so flott, allerdings auch nicht weit von dieser Marke entfernt ist das schnellste E-Auto der Welt. Auch dieser Rekord geht an Franzosen, genauer gesagt an Monegassen. Denn im Stadtstaat an der südfranzösischen Mittelmeerküste ist das Unternehmen Venturi beheimatet.

EXTREM SCHNELL, EXTREM SPARSAM

Venturi gilt als Pionier der neuzeitlichen E-Mobilität, deren Leistungsfähigkeit man mit dem Rekordfahrzeug Buckeye Bullet Streamliner unter Beweis gestellt hat. Zunächst in der Version 2.0 noch mit Brennstoffzelle, mit deren Hilfe 2009 eine Marke von 487 km/h erreicht wurde. Gut sieben Jahre später folgte der Buckeye Bullet Streamliner 3.0, mit dem Venturi den vermutlich nur vorläufigen Geschwindigkeitsrekord für E-Autos auf 549,43 km/h getrieben hat.

Weniger um Effizienz als um maximale Reichweite ging es bei einem Reisebus der US-amerikanischen Firma Proterra, der im Jahr 2017 mit einer Batterieladung 1.101 Meilen beziehungsweise 1.772 Kilometer geschafft hat. Für Fahrer mit Reichweitenangst mag das ein beruhigender Wert gewesen sein, für den allerdings auch eine mit 660 Kilowattstunden extrem groß dimensionierte Batterie verantwortlich war. Reichweiten-Rekordhalter vor dem Porterra-Bus war ein Experimentalfahrzeug von Bosch mit dem Namen Schluckspecht, das 2011 mit einer Batterieladung 1.632 Kilometer schaffte. Bei dieser Rekordfahrt stand hingegen die Effizienz im Fokus. Hier wurde ein Akku mit lediglich 23 kWh verbaut. Entsprechend wurden lediglich 1,4 kWh pro 100 Kilometer verbraucht, was einem Energiegehalt von gerade einmal 160 Milliliter Benzin entspricht. Zum Vergleich: Der Proterra verbraucht rund 37 kWh auf 100 Kilometer, ein VW E-Up gut 13 kWh.

Halter des Effizienzrekords ist ein anderes E-Auto. Offiziell im Guinnessbuch der Rekorde eingetragen wurde der an der TU München entwickelte eLi14. Das Ultraleichtmobil verbraucht auf 100 Kilometer lediglich 81 Wattstunden bei einer bescheidenen Durchschnittsgeschwindigkeit von 25 km/h. Theoretisch kommt der von einer Person im liegen pilotierte Stromer mit der Energiemenge aus einem Liter Benzin gut 11.000 Kilometer weit.

Auch elektrische Alltagsautos eignen sich für Reichweitenrekorde. Im September 2019 haben drei Deutsche mit einem Tesla Model 3 innerhalb von 24 Stunden 2.842 Kilometer im öffentlichen Straßenverkehr zurückgelegt. Dabei pendelten die drei auf einem 140 Kilometer langen Teilabschnitt der A4 zwischen Bucha und Gotha. In Gotha war auf einem Rasthof eine Schnellladestation, die mit 193 kW in relativ kurzer Zeit Strom in die Tesla-Batterie scheuchte. Möglichst häufig haben die Rekordfahrer versucht, auf der verkehrsarmen A4 mit einer von ihnen errechneten Idealgeschwindigkeit von 172 km/h zu fahren.

Fazit: Ob und welche Technologie sich am Ende durchsetzen wird, ist also noch nicht ausgemacht. Wichtig ist nur: Es wird sich am Ende aller Forscherei ganz bestimmt etwas im Endverbrauchermacht tun. Die Reichweite der Batterien wird steigen, vermutlich beträchtlich, in einem Jahr auf jeden Fall, in 5 Jahren massiv im Vergleich zu heute. Und erst recht in 10 Jahren. Wo wir dann stehen werden, weiß aber heute noch niemand.

Die geschwungenen Formen, die ausgeklügelten Lichtspiele, Räder, die den Wagen auch seitwärts bewegen können und die verstellbaren Kacheln am Heck durften Avatar-Fans auf der CES ins Schwärmen gebracht haben.


Erste Versuchsfahrzeuge mit Flusszellentechnologie drehen bereits ihre Testrunden in Europa.


Fotos: shutterstock

Fotos: Honda

Fotos: Pennsylvania State University, Universität Zürich, Forschungszentrum Jülich

Fotos: NanoFLOWCELL, Mercedes, Venturi