Schneller, weiter, nachhaltiger – das Rennen um die Superbatterie

15.02.2021

Noch gibt es Vorbehalte beim Umstieg auf ein Elektroauto. In der Diskussion ist vor allem das Herzstück der Stromer: die Batterie. Nachhaltig, sicher, große Reichweite, kostengünstig, klein, langlebig – das sind die Anforderungen, die an den E-Akku der Zukunft gestellt werden. Gleich mehrere Unternehmen reklamieren die ultimative Revolution der Batterietechnologie für sich – mit unterschiedlichen Ansätzen.

Die Mobilität wird mehr und mehr elektrisch: Fast zehn Prozent der Neuzulassungen im Januar 2021 in Deutschland waren reine E-Autos, bei den Plug-ins liegt der Anteil bei 12,1 Prozent am gesamten Pkw-Markt in Deutschland – eine Steigerung von fast 140 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Alle Hybriden zusammengenommen erreichen sogar einen Anteil am Gesamtmarkt von 26,8%. Dazu beigetragen haben sicherlich die Fortschritte bei den Reichweiten und der Haltbarkeit. Demnächst steht ein weiterer Quantensprung an: In den Schlagzeilen wurde ein Zwei-Millionen-Kilometer-Akku angekündigt, oder eine Super-Batterie, die in 15 Sekunden lädt.  Beim Rennen um die Pole Position bei den Superbatterien sind die großen Automobilhersteller ebenso dabei wie renommierte Forschungsinstitute weltweit oder experimentierfreudige Start-ups.

Die Lithium-Ionen-Batterie kommt an ihre Grenzen

Die Vielfalt der Begriffe in diesem Rennen um den Superakku ist verwirrend: Neben der bisher hauptsächlich eingesetzten Lithium-Ionen-Batterie liest man von Lithium-Schwefel-, Lithium-Natrium- und Lithium-Luft-Zellen – oder Lithium-Eisenphosphat-Batterien sowie Graphenbatterien. Allein der Volkswagen-Konzern nutzt zwei Dutzend verschiedene Formate von Batteriezellen. Fest steht vor allem: Die Lithium-Ionen-Batterie, wie sie derzeit in rein elektrisch fahrenden Autos eingesetzt wird, gerät an ihre Grenzen. Feststoffzellen sind die favorisierte neue Lösung. In einem Punkt aber gleichen sich alle Batterien: Sie bestehen aus drei Grundkomponenten – Anode, Kathode, Elektrolyt.

Die Negativelektrode, die Anode, nimmt Lithium-Ionen während des Ladevorgangs auf. Hauptbestandteil der Anode ist Graphit. Fährt das Auto und die Batterie wird dabei entladen, reisen die Ionen von der Anode durch einen Separator zur positiven Kathode – dem Gegenpol der Anode. Es fließt Strom. Der Separator verhindert einen Kurzschluss der Batterie. Kathode und Anode befinden sich in einem Medium, das Strom leitet, dem Elektrolyten. Der ist in der Regel flüssig, kann aber auch gelartig oder fest sein. Damit die Batteriezellen nicht überhitzen, werden sie durch ein Thermomanagement bei Bedarf heruntergekühlt.

Elektrolyt: Feststoff versus Flüssigkeit

Volkswagen hat 300 Millionen US-Dollar in das Stanford-University-Start-up QuantumScape investiert. Gemeinsam wollen sie die Produktion von Feststoffbatterien massentauglich machen. QuantumScape meldete Ende 2020, dass mit seinen Akkus ein um 60 Prozent schnelleres Laden möglich sei und die Energiedichte des Akkus um 50 bis 100 Prozent steige. Während in der gängigen Lithium-Ionen-Batterie das Elektrolyt flüssig ist, nutzt QuantumScape ein keramisches und verzichtet auf die Anode. Feste keramische Elektrolyten sind nicht brennbar, was die Sicherheit des E-Autos erhöht. Zudem bilden sich in ihnen keine Lithium-Ablagerungen an den Elektroden, die zu Kurzschlüssen führen können. Ein fester, keramischer Elektrolyt hingegen könnte eine mechanische Sperre bilden. Der Quantumscape-Feststoffakku soll in 15 Minuten von null auf 80 Prozent aufladbar sein, nach 800 Zyklen noch immer eine Kapazität von 80 Prozent haben und auch bei Temperaturen von minus 30 Grad funktionieren – ohne signifikanten Leistungsverlust.

Eine Lithium-Ionen-Hochvolt-Batterie der Mercedes B-Klasse Electric Drive (W242) © Daimler

Neue Stoffe, neues Design

BMW und Daimler investieren dagegen in die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technologie mit flüssigen Elektrolyten. BMW und Daimler haben beide etwa 300 Millionen Dollar in das Silicon-Valley-Start-up Sila Nano investiert. Dieses will den Kohlenstoff in der Anode durch Silizium-dominierte Verbundstoffe ersetzen. Weil Silizium mehr Lithium-Ionen speichern kann als Graphit, sollen die Energiedichte steigen, die Akkus langlebiger und ihre Reichweite sowie Zyklenfestigkeit erhöht werden.

Auch Tesla bleibt bei der gängigen Technologie, hat aber angekündigt, durch Veränderungen im Batteriedesign die Reichweite um 16 bis 18 Prozent zu erhöhen und die Ladezeiten um das 6-fache zu verkürzen. Die Batteriezelle erwärmt sich weniger, kann größer sein, aber nur noch halb so teuer und schwer wie bisher.

Das estnische Unternehmen Skeleton entwickelt zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie eine Graphenbatterie, die innerhalb von 15 Sekunden aufgeladen sein und Hunderttausende Ladezyklen lang leben soll. Auch kann die Graphenbatterie Energie schneller wesentlich schneller abgeben als die gängigen Batterien, besitzt aber nur eine geringe Energiedichte von circa 60 Wh/kg. Deshalb soll sie als Pufferbatterie zusätzlich zum Lithium-Ionen-Akku eingesetzt werden. Vorteile einer Kombination beider Batterien: geringere Kosten und ein längeres Leben des Batteriesystems.

Konkurrenz aus China

   

Auch der chinesische Autohersteller Nio hat angekündigt, die 1000-Kilometer-Marke bei der Reichweite zu knacken – ebenfalls durch eine Feststoffbatterie. Nio kombiniert Nickel-Kathoden mit Anoden aus Silicium-Kohlenstoff-Komposit. Detaillierte Informationen zu Ladezeiten, Energieeffizienz und Akku-Lebensdauer gibt es aber noch nicht. Bisher können Nio-Akkus Wechselstationen ausgetauscht werden – damit ist das E-Auto ebenso schnell wieder fahrbereit wie ein Verbrenner. 

 

Man kann gespannt sein, was DaimlerChrysler, Nio und Volkswagen auf der IAA Mobility zeigen werden. Denn noch sind alle diese Neuerungen nicht in der Massenproduktion und im Masseneinsatz bei E-Autos erprobt. Wer also nach der Ziellinie zum Gamechanger der Elektromobilität gekürt wird und den Quantensprung in der Batterieentwicklung geschafft hat, ist noch lange nicht raus.

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