E-Mobilität: Antriebstechniken / 7 Batterieentwicklung

Der große Nachteil des Elektro- gegenüber dem Verbrennungsmotor beim Einsatz in Kraftfahrzeugen war aber über Jahrzehnte hinweg die Energiespeicherung, um eine akzeptable Reichweite zu erzielen. Die Popularität und Nutzbarkeit des E-Automobils ist daher eng mit der Entwicklung der Batterie bzw. des Akkus und den Speicherkapazitäten verbunden. Die wichtigsten Anforderungen an die Batterie eines Elektroautos sind hohe Energie- und Leistungsdichte, Sicherheit und Funktionsfähigkeit. Erst in den letzten Jahren konnten Leistungsdichte, Energiedichte und Lebensdauer der Batterie sukzessiv verbessert werden.

Nahezu alle Automobil- und Batteriehersteller sowie viele Forschungseinrichtungen arbeiten daher an der Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie und neuen Batterietypen, die mehr Lebensdauer, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Reichweite versprechen.

Optimierung der Lithium-Ionen-Technologie

Die meisten Forschungsprojekte beschäftigen sich damit, die bereits erprobte Lithium-Ionen-Technologie weiter zu optimieren. So stellte der weltgrößte chinesische Batteriehersteller CATL (Contemporary Amperex Technology Limited) kürzlich den Akku "Shenxing" vor, der in 10 Minuten an der Ladestation Energie für 400 Kilometer laden kann. Die Shenxing-Technik basiert auf der konventionellen Lithium-Eisenphosphat-Zellchemie (LFP). "Shenxing" Akkus aus Lithium-Eisenphosphat werden gegenwärtig in E-Autos zweier chinesischer Hersteller, Neta Auto und Avatr, eingebaut. Neta Auto bietet 4 Elektromodelle an, Avatr 2. Auch Tesla und das israelische Start-up-Unternehmen StoreDot setzen auf die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technologie. Das Start-up arbeitet an siliziumdominierten XFC-Lithium-Ionen-Akkus, die 160 Kilometer Reichweite in 5 Minuten ermöglichen sollen. Tests in produktionsfähigem Format verliefen bereits erfolgreich, 2024 soll die Batterietechnologie auf den Markt kommen.

Alternative: Natrium-Ionen-Batterie

Das schwedische Unternehmen Northvolt hat einen Akku vorgestellt, bei dem Lithium durch Natrium ersetzt wird. Dieses chemische Element ist billig und nahezu unbegrenzt in vielen Lagerstätten vorhanden. Auch Kobalt und Nickel, ebenfalls problematische Ingredienzen, enthält der Northvolt-Akku nicht. Die Energiedichte liegt mit 160 Wattstunden pro Kilogramm ungefähr auf demselben Niveau wie aktuelle Lithium-Eisenphosphat-Akkus. Natrium-Akkus sind weniger feuer- und kälteempfindlich, reagieren robuster auf hohe Ladeströme und halten länger. Auch der chinesische Batteriezellenproduzent CATL arbeitet an einer Natrium-Ionen-Batterie. Ende 2023 sind in China erste Serien-Elektroautos der Firma Yiwei mit einer Natrium-Ionen-Batterie vom Band gelaufen.

Das britische Start-up Nyobolt präsentierte einen Akku mit Niob-Wolfram-Anoden, der in nur 6 Minuten Energie für 250 Kilometer Reichweite laden kann. Der Akku-Prototyp hat eine Kapazität von 35 kWh und wurde mittlerweile bei über 2000 Ladezyklen getestet, ohne dass es Schäden gab.

Alternative: Feststoffzellenbatterie

Die alternative Entwicklungslinie zu Lithium-Ionen-Akkus setzt auf die Feststoffzellenbatterie. Mit schnelleren Ladezeiten, einer höheren Energiedichte und mehr Leistung bietet sie große Vorteile. Ihr Unterschied zu den Lithium-Ionen-Akkus ist zunächst einmal nur ein kleiner: Statt eines flüssigen Elektrolyten kommt ein fester zum Einsatz. Am vielversprechendsten sind hierbei Oxid-Elektrolyte, Sulfid-Elektrolyte und Polymer-Elektrolyte. Während der Flüssig-Elektrolyt so leicht und schnell brennt wie das chemisch verwandte Benzin, lässt sich sein festes Gegenstück fast gar nicht in Brand setzen. Vor allem bei Kollisionen von E-Autos könnte das ein Sicherheitsvorteil sein.

Wichtiger ist aber, dass die Nutzung des festen Elektrolyten den Einsatz alternativer Anodenmaterialien erlaubt. Indem die Anode statt wie bisher aus Graphit aus Lithium hergestellt werden kann, könnten die Batterien leichter werden und etwa 30 bis 40 % mehr Reichweite bringen.

Mehr oder weniger alle großen Autohersteller arbeiten an der Entwicklung einer Feststoffbatterie:

• Nissan hat angekündigt, 2024 mit einer Pilotproduktion zu starten. 2028 soll das erste Serienauto auf den Markt kommen.
• Andere Hersteller haben noch ehrgeizigere Ziele. Der VW-Partner Quantum Scape (QS) in Kalifornien hat eine Feststoffbatteriezelle entwickelt, die im ersten Test 1000 Ladezyklen absolvierte. Daraus errechnete QS eine potenzielle Haltbarkeit von 500.000 Kilometern. Bereits ab 2025 – so der Plan von VW – soll die Feststoff-Technik verfügbar sein, zumindest eine Pilotanlage soll dann mit der Testproduktion beginnen. Um 2030 herum soll eine serienreife Version des neuen Super-Feststoff-Akkus zur Verfügung stehen.
• Neben VW forscht auch Hyundai-Kia an einem Feststoff-Akku und hat dafür Ende 2023 in den USA ein Patent eingereicht.
• Auch Toyota arbeitet am Feststoff-Akku und plant die Marktreife von damit ausgestatteten E-Autos ab dem Jahr 2027. Der japanische Hersteller hält eine elektrische Reichweite von 1000 km bei einer ...