Batterietechnologie: Von Luft und Lithium
Energiedichte, Kosten und Kilometer: Welche Fortschritte macht die Batterietechnologie für Elektroautos?
Elektroauto fahren ja, aber bitte mit der Reichweite eines Benzinfahrzeugs – diese Forderung zu erfüllen ist das Ziel etlicher Ingenieure und Forscher. Neben Bemühungen, Fahrzeuge leichter zu machen und das Netz an Ladestationen auszubauen, liegt der Fokus vor allem auf die Entwicklung leistungsstärkerer Akkus.
Zwar gibt es Luxus-Stromer wie den Tesla Model S, der ohne aufzutanken zwischen 400 und 500 Kilometer am Stück fahren kann, dafür aber eine extrem große Batterie mit sich schleppt. Bei einem gängigen Mittelklassewagen betrage die durchschnittliche Reichweite, die heutzutage mit Lithium-Ionen-Akkus möglich wäre, theoretisch circa 260 Kilometer, sagt Dr. Arnold Lamm, Leiter im Bereich Charakterisierung Hochvolt-Batteriesysteme der Daimler AG: „Aber natürlich nur unter optimalen Bedingungen, bei denen man den Akku zu 100 Prozent ausnutzen und sehr behutsam fahren müsste. Die meisten Menschen fahren aber etwas sportlicher“, schränkt Lamm ein. „Realistisch sind daher eher rund 200 Kilometer.“
Mehr Energie auf begrenztem Platz
Nicolas Lewkowicz, Professor im Fachbereich Elektrotechnik, Mechatronik und Optometrie an der Berliner Beuth-Hochschule für Technik, ist noch vorsichtiger: Er geht von einer Reichweite zwischen 130 und 170 Kilometern für einen Mittelklassewagen aus. „Wenn man im Labor nicht auf Lebensdauer und Sicherheit der Akkus achtet, bekommt man natürlich sehr hohe Energiedichten hin“, erklärt Lewkowicz.
Haupt-Herausforderung bei der Batterieentwicklung sei, mehr Energie auf begrenztem Platz unterzubringen, betont Lamm: „Im Unterboden etwa eines Mittelklassewagens stehen rund 200 Liter Gesamtvolumen für den Akku zur Verfügung – diese Räume werden sich auch in Zukunft nicht großartig verändern.“ Er rechne daher damit, dass die Reichweite eines solchen Fahrzeugs im Jahr 2020 unter realen Bedingungen rund 300 Kilometer betragen könnte.
Die Lithium-Ionen-Technik wird dabei noch lange das Maß der Dinge bleiben – da sind sich sowohl Lamm als auch Lewkowicz einig. Das Grundprinzip eines Lithium-Ionen-Akkus besteht in einer Anode, in die das Lithium eingelagert ist, und einer Kathode, zwischen denen die Lithium-Ionen hin und her wandern und dabei Energie erzeugen. Allerdings lässt sich daran noch vieles verbessern: „Man wird immer weiter davon weggehen, Graphit für die Anode zu verwenden“, sagt Lamm. „Stattdessen wird man zunehmend auf Materialien wie Silizium setzen, das wesentlich mehr Lithium-Ionen speichern kann. Bis zur Marktreife dieser Technologie ist noch viel Forschungsarbeit nötig.“
Forscher träumen vom Lithium-Luft-Akku
Daneben könnten Lithium-Schwefel-Akkus laut Lamm der nächste große Schritt in der Batterietechnologie sein – auch was die Kosten betrifft. Derzeit werden für die Kathode vor allem teure Stoffe wie Kobalt oder Mangan verwendet, die Kosten von Schwefel hingegen sind viel geringer. Zudem könnte Schwefel die Energiedichte der Akkus erhöhen. Lewkowicz dämpft jedoch zu hohe Erwartungen: „Das Problem bei Lithium-Schwefel ist die geringe Lebensdauer – man weiß noch nicht genau, wie man die Akkus so herstellen kann, dass sie auch lang genug halten.“
Perspektivisch träumen Forscher vom Lithium-Luft-Akku, bei dem das Trägermaterial für Anode und Kathode durch Sauerstoff ersetzt würde – eine Steigerung der Energiedichte, die theoretisch an einen Benzintank heranreichen würde. Das, so sagt Lewkowicz, sei aber noch reine Zukunftsmusik.
„Ich hoffe, dass wir uns bis 2020 nicht nur auf die Reichweite konzentrieren, denn dieser Hype nach der Erhöhung der Reichweite entspringt letztlich einer ,Benzin- Denke’“, sagt Lewkowicz. „Wesentlicher ist die Frage nach den Kosten.“ Unter anderem aufgrund des wachsenden Wettbewerbs gebe es heute bereits ein gewisses Preisgefälle auf dem Zellenmarkt, sagt Lamm. Derzeit koste die Kilowattstunde eines Gesamtbatteriesystems zwischen 350 und 400 Euro. „Im Jahr 2020 werden wir voraussichtlich bei grob 200 Euro pro Kilowattstunde sein“, schätzt Lamm. „Der Absolutpreis der Gesamtbatterie wäre dann zwar ähnlich wie heute, aber man bekäme für dasselbe Geld etwa 100 Kilometer Reichweite mehr.“