Anzeige
Anzeige
Analyse
Artikel merken

Akkutechnik bei Elektroautos: An diesen Verfahren arbeitet die Branche

Eine Begrenzung bei Elektroautos stellt immer noch die Akkutechnik dar. Dabei gibt es gerade hier eine Vielzahl neuer innovativer Konzepte. Doch bis zur Serienreife wird bei vielen noch einige Zeit vergehen.

7 Min. Lesezeit
Anzeige
Anzeige

VW-Forscher wollen am Google-Quantencomputer auch neue Elektroauto-Akkus entwickeln. (Bild: Volkswagen)

Heute arbeiten Akkus von Elektroautos meistens auf der Basis von Lithium. Die bieten aus heutiger Sicht im Hinblick auf Lebensdauer, Kosten und Effizienz in der Energieverwertung die besten Eigenschaften. Doch Lithium ist nur in wenigen Regionen der Erde wirtschaftlich sinnvoll abbaubar, etwa in den Salzseen Südamerikas. Angesichts des aktuellen Hypes um die Elektromobilität lässt sich absehen, dass die vorhandenen Vorräte nicht reichen werden. 2019 machte außerdem ein Projekt in Bolivien Schlagzeilen, das in Kooperation mit einer deutschen Firma Lithium fördern sollte – es wurde urplötzlich auf Initiative des damaligen Präsidenten Evo Morales gestoppt, die deutsche Firma erfuhr davon erst aus Medienberichten.

Kapazitäten werden nicht ausreichen

Anzeige
Anzeige

Doch Lithium-Lösungen können nicht in jeder Situation eine mit Benzinmotoren vergleichbare Reichweite garantieren. Dabei gilt es zu bedenken, dass ein Akku pro Fahrzeug bei Weitem nicht ausreicht. Spätestens wenn eine Familie eine längere Urlaubsreise plant, wird es an den Ladesäulen zu Engpässen kommen. Selbst wenn eine 80-Prozent-Ladung in unter einer Stunde realisierbar ist, käme das System spätestens in der Hauptsaison zum Erliegen. Dabei muss man allerdings berücksichtigen, dass sowohl bei der Lithium-Ionen-Zelle als auch beim Energieverbrauch noch einiges rauszuholen sein wird. Es gilt als wahrscheinlich, dass innerhalb der nächsten zehn Jahre die Reichweite eines Elektroautos ungefähr beim Doppelten des heutigen Wertes liegen könnte. Doch das wird angesichts steigender Fahrzeugzahlen nicht ausreichen. Außerdem plant die Bundesregierung, bis 2030 eine Million Ladesäulen deutschlandweit installieren zu lassen.

Alternative Akkutechnologien müssen her – und derer gibt es zumindest in der Theorie einige: Als erstes fällt einem da die Brennstoffzelle ein, ein Konzept, an dem die Automobilindustrie schon seit gut 20 Jahren forscht, und die in Kombination mit anderen Antriebsformen einen Teil des Problems lösen könnte. Audi etwa hat das H-Tron-System in der Entwicklung, ein emissionsloses Brennstoffzellenfahrzeug – das allerdings schon seit längerer Zeit. Auch Honda und Toyota experimentieren mit Prototypen und entsprechenden Versuchsflotten. Mercedes-Benz hat angekündigt, seine Sprinter unterschiedlich ausgestattet und mit verschiedenen, teils kombinierten, Antriebsarten anbieten zu wollen. Doch in der heutigen Form ist die Brennstoffzellentechnologie einfach nicht massentauglich. Aus diesem Grund evaluiert Audi eine Variante, bei der der Wasserstoff zu Methan umgewandelt wird. Das ist allerdings gerade aus Sicht der Energiebilanz wenig befriedigend.

Anzeige
Anzeige

Experten erklären aber unisono, dass die Brennstoffzelle nicht nur auf den Verkehrssektor bezogen betrachtet werden sollte und dass die Forschung international angegangen werden muss. Wasserstoffbasierte Lösungen sind vor allem dort sinnvoll, wo die Kapazitäten von Lithium-Lösungen an ihre Grenzen kommen, also beispielsweise beim Schwerlastverkehr oder bei Bussen. Das neu gegründete Brennstoffzellen-Joint-Venture Cellcentric (zwischen Volvo Group und Daimler Trucks) ist so ein Beispiel. Hier könnten über die Jahre Schlüsseltechnologien entstehen, indem die beteiligten Unternehmen mit langem Atem an das Thema gehen. Eine Serienproduktion von Brennstoffzellen für Europa könnte bereits 2025 starten, so zumindest der Plan. Immerhin könnte die Brennstoffzelle unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit überzeugen – und damit die Kritikpunkte, die den klassischen Akkutechnologien entgegen gebracht werden, entkräften. Denn sowohl die Energiedichte als auch die Umweltgesichtspunkte sind hier Argumente für die Brennstoffzelle.

Anzeige
Anzeige

Alternative zu Lithium-Ionen-Akkutechnik: Hoffnung auf die Feststoffzelle

Dass auch und gerade im Bereich der Stromversorgung Grundlagenforschung nicht immer von Erfolg gekrönt ist, zeigt das Beispiel der Fisker-Feststoffbatterie. Eng mit dem Namen Henrik Fisker ist eine Akkutechnologie verknüpft, die über ihre Anfänge wohl bis auf Weiteres nicht weiterentwickelt wird. Denn Fisker erklärt jetzt, die Entwicklung sei gegen Ende 2019 gestoppt worden, da man auch nach Jahren Entwicklung weit von der Serienreife entfernt gewesen sei. Die Fisker-Feststoffbatterie, auch Solid-State-Technologie genannt, sollte innerhalb weniger Minuten mithilfe eines Schnellladers aufgeladen werden und hätte laut Fisker für eine Fahrstrecke von fast 900 Kilometern reichen können. Die Feststofftechnik verfügt noch über einen weiteren Vorteil: Anders als die Lithium-Ionen-Zellen, die bei starker Hitzeentwicklung, wie sie bei einem Unfall auftreten kann, theoretisch explodieren können, besteht diese Gefahr bei Feststoffzellen nicht. Doch komplett ausschließen will der Unternehmensgründer nicht, dass seine Firma eines Tages wieder an Solid-State-Batterien arbeitet – vielleicht bis dahin aber mit neuen Erkenntnissen.

Doch an der Feststoffbatterie arbeiten noch weit mehr Unternehmen: Sowohl eine Allianz aus den Autoherstellern Renault, Nissan und Mitsubishi als auch Toyota bemühen sich seit Jahren darum, die Feststoffbatterie zur Serienreife zu bringen. Bis es soweit ist, dürfte es allerdings 2025 sein, auch wenn das Fraunhofer ISC in Würzburg bereits im kommenden Jahr eine Feststoffzelle fertig haben will. Das Fraunhofer ISC ist außerdem an einem EU-Projekt namens Astrabat beteiligt, das insgesamt 14 Partner umfasst und an der Entwicklung einer  sicheren, hochenergetischen, nachhaltigen und marktfähigen Lithium-Ionen-Zellentechnologie arbeitet, die in Europa in großem Maßstab gefertigt werden kann, wie es die Initiatoren in einer Pressemitteilung erklären. Insgesamt ist das ISC an gut einem Dutzend nationalen und internationalen Programmen beteiligt.

Anzeige
Anzeige

Dass Toyota derzeit noch andere Prioritäten bezüglich der Serienproduktion hat, sieht man schon daran, dass der japanische Autohersteller zusammen mit BMW (die wiederum in Zusammenarbeit mit Ford im Rahmen von Solid Power eine Solid-State-Lösung entwickeln) weiterhin auf die bewährten Lithium-Ionen-Akkus setzt. Auch Volkswagen will einen Fuß in der Tür haben, wenn die Feststoffzelle serienreif ist. Das Unternehmen hat sich bereits 2012 am US-Startup Quantum Scape beteiligt.

Serienreife bei Flusszellentechnologie liegt ebenfalls noch weit in der Zukunft

Einen gänzlich anderen Ansatz verfolgt die IF-Battery, ein Energiesystem, das auf Basis von Flusszellentechnologie arbeitet. Flusszellen kommen in der Industrie bereits als Energie-Zwischenspeicher zum Einsatz. Eine semipermeable Membran mit einer Elektrolytlösung auf beiden Seiten bildet den Kern der 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.

Wenn Wissenschaftler der Purdue University einige technische Hürden beseitigt haben, ließe sich eine funktionierende Infrastruktur mithilfe von Tankstellen oder der heimischen Steckdose erreichen. Die Flusszellentechnik würde somit die vorteilhafte Emissionsfreiheit der Elektromobilität mit der hohen Reichweite des herkömmlichen Autoverkehrs kombinieren. Schon heute soll die Technologie in der Lage sein, einem E-Auto fast 4.800 Kilometer Reichweite zu realisieren, ohne an die Ladestation zu müssen. Bisher kommt die Technologie aber vor allem in Industriefahrzeugen zum Einsatz.

Anzeige
Anzeige

Eine Technik, die eng an den herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus angelehnt ist, vertritt das Startup Tiax von Kenan Sahin. Zum Einsatz kommt hierbei ein neuartiges Kathodenmaterial, an dem Sahin nach eigenen Angaben bereits seit den späten 90er Jahren forscht. Im Laufe dieses Jahres soll jetzt die Produktion des Kathodenmaterials beginnen, das dank eines hohen Nickelanteils eine größere Energiedichte verspricht als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Gleichzeitig komme weniger teures Kobalt zum Einsatz, was dazu beitragen könne, dass die Zellen günstiger produziert würden. Sahin verspricht sich hiervon eine deutlich effizientere Möglichkeit, Energie für Elektroautos zu produzieren und zu speichern.

Neuer Akku für Elektroautos soll ultraschnelles Laden erlauben. (Bild: Storedot)

Uni Kiel entwickelt preisgünstige Silizium-Anoden

Einen weiteren Ansatz, der an der Universität Kiel entwickelt wurde, konnte 2019 auf der Hannover Messe bestaunt werden: Ein Forschungsteam der Universität will in Kooperation mit der Firma Rena Technologies Anoden aus reinem Silizium entwickeln, die durch gezieltes Strukturieren der Oberfläche das Speicherpotenzial des Halbmetalls voll ausschöpfen können. Silizium-Anoden sollen bis zu zehn Mal so viel Energie speichern können wie herkömmliche Graphit-Anoden, die in normalen Lithium-Ionen-Akkus vorkommen – möglich macht das die höhere Energiedichte. Das würde nicht nur höhere Ladekapazitäten und schnelleres Aufladen ermöglichen, sondern auch eine kostengünstigere Produktion der Akkus. Denn Silizium ist nahezu unbegrenzt verfügbar und leicht zu verarbeiten. Übrigens basiert auch dieses Projekt auf jahrelanger Grundlagenforschung, wie die Universität beschreibt.

Schließlich gibt es noch die Unternehmen, die daran arbeiten, die vorhandene Lithium-Ionen-Technik zu reformieren, wie es etwa das israelische Startup Storedot plant. Dabei setzt das Unternehmen auf Nanotechnologie und organische Verbindungen, die bislang laut Unternehmensangaben noch nicht in Akkutechnik verbaut werden. Die sollen weniger explosionsgefährdet sein und sich innerhalb weniger Minuten wieder aufladen lassen. In wieweit das auf Kosten der Haltbarkeit geht, werden Langzeittests zeigen müssen. Inzwischen hat das Unternehmen mit der sogenannten Flashbattery-Technologie eine Lösung vorgestellt, die für die Massenproduktion geeignet sein soll. Das Unternehmen zeigte Anfang des Jahres basierend auf der Extreme-Fast-Charging-Technologie (XFC) Muster, die den erfolgreichen Ersatz von Graphit in der Anode durch metalloide Nanopartikel demonstrieren sollen. Dabei handle es sich um einen „entscheidenden Durchbruch bei der Überwindung wichtiger Probleme in Bezug auf Sicherheit, Batteriezyklusdauer und Schwellung“. Voraussetzung für das superschnelle Laden in weniger als fünf Minuten von 0 auf 100 Prozent sind extrem starke Ladegeräte, wie sie bislang nur im Labormaßstab zur Verfügung stehen. Immerhin: Dass ein Elektroauto binnen fünf Minuten auf eine Reichweite von 320 Kilometern kommt, ist ein Schritt in Richtung Akzeptanz auch bei Fans von Verbrennungsmotoren. Legt man jetzt noch zugrunde, dass die Effizienz der E-Autos in den nächsten Jahren noch zunehmen dürfte, ist das ein beachtliches Ergebnis.

Anzeige
Anzeige

Akkutechnik-Forschung: Der lange Weg bis zur Serienreife

Geforscht wird viel im Bereich der Akkutechnologien. Doch bis eine effiziente, preiswert zu produzierende und sichere Technologie da ist, werden noch einige Jahre vergehen. Wenn man bedenkt, dass das Konzept der Brennstoffzellen bereits seit mehreren Jahrzehnten mit viel Geld erforscht wird und die Wissenschaft hier immer noch nicht die Lösung aller technischen Schwierigkeiten gefunden hat, wird klar, wie mühsam Ingenieur- und Naturwissenschaften sein können. Klar ist aber auch, dass es um mehr geht als um den Ersatz eines Akkumaterials durch ein anderes. Energiedichte, Ladezeiten und Lebensdauer sowie technologisches Prozess-Know-how entscheiden darüber, ob eine Technologie erfolgreich und unfallfrei nutzbar ist.

Auch und gerade in Zukunft ist die Akkufrage im Bereich der Elektromobilität ein wichtiger Punkt: Denn erst wenn die Reichweite in etwa der eines Benzinmotors entspricht oder das Aufladen so schnell und einfach möglich ist wie das Tanken an der Tankstelle, werden Elektroautos auch Akzeptanz innerhalb der breiten Bevölkerung finden. Hinzu kommt: Alternativtechnologien müssen sowohl in ihrer Herstellung als auch beim Recycling im Nachgang der Nutzung umweltfreundlich sein. Bisher überzeugen die meisten Alternativtechnologien hier wenig.

Mehr zu diesem Thema
Fast fertig!

Bitte klicke auf den Link in der Bestätigungsmail, um deine Anmeldung abzuschließen.

Du willst noch weitere Infos zum Newsletter? Jetzt mehr erfahren

Anzeige
Anzeige
Ein Kommentar
Bitte beachte unsere Community-Richtlinien

Wir freuen uns über kontroverse Diskussionen, die gerne auch mal hitzig geführt werden dürfen. Beleidigende, grob anstößige, rassistische und strafrechtlich relevante Äußerungen und Beiträge tolerieren wir nicht. Bitte achte darauf, dass du keine Texte veröffentlichst, für die du keine ausdrückliche Erlaubnis des Urhebers hast. Ebenfalls nicht erlaubt ist der Missbrauch der Webangebote unter t3n.de als Werbeplattform. Die Nennung von Produktnamen, Herstellern, Dienstleistern und Websites ist nur dann zulässig, wenn damit nicht vorrangig der Zweck der Werbung verfolgt wird. Wir behalten uns vor, Beiträge, die diese Regeln verletzen, zu löschen und Accounts zeitweilig oder auf Dauer zu sperren.

Trotz all dieser notwendigen Regeln: Diskutiere kontrovers, sage anderen deine Meinung, trage mit weiterführenden Informationen zum Wissensaustausch bei, aber bleibe dabei fair und respektiere die Meinung anderer. Wir wünschen Dir viel Spaß mit den Webangeboten von t3n und freuen uns auf spannende Beiträge.

Dein t3n-Team

Steffen

Wasserstoff-Brennstoffzelle wird mMn keine Alternative zum Batterie-Elektroauto sein.

1. Es gibt zwei Möglichkeiten, um an den Wasserstoff zu kommen. Erstens durch Gewinnung aus fossilen Kohlenwasserstoffen von denen wir ja ohnehin wegkommen wollen oder durch Elektrolyse.

2. Für die Elektrolyse wird neben wasser auch gerade die elektrische Energie investiert, die in der Brennstoffzelle wieder frei gesetzt wird. Bei dem gesamtprozess mit herstellung, kompression,Kühlung, transport und verwendung ist der gesamtwirkungsgrad weniger als halb so groß wie beim Batterie-Elektroauto. Die menge an elektrischer Energie die für eine wasserstoffflotte benötigt wird ist somit mehr als doppelt so groß wie beim Batterie-Elektroauto.

3. Da der ökostromanteil bei ca 36% liegt würde sich der verbrauch fossiler Rohstoffe für die Energie gewinnung für den verkehr drastisch erhöhen.

4. Die kosten für den wasserstoff sind durch den höheren energiebedarf und durch die zusätzlichen Arbeitsschritte ein vielfaches teurer als beim Batterie-Elektroauto.

5. Damit sich wasserstoff lohnt müsste man also den Ökostrom anteil und die Produktion so stark erhöhen dass es sich für die Umwelt lohnt und der strompreis vernachlässigbar gering wird.

6. Der vielfach höhere wasserstoffpreis gegenüber dem strompreis würde dessen nutzen in kommerziellen bereichen völlig ausschließen. Also keine busse, lkw, taxis etc. Die Konkurrenz wäre mit Batterie einfach günstiger unterwegs. Wer wasserstoff für seine lkw flotte nutzt hat einfach einen Wettbewerbsnachteil

Antworten

Melde dich mit deinem t3n Account an oder fülle die unteren Felder aus.

Bitte schalte deinen Adblocker für t3n.de aus!
Hallo und herzlich willkommen bei t3n!

Bitte schalte deinen Adblocker für t3n.de aus, um diesen Artikel zu lesen.

Wir sind ein unabhängiger Publisher mit einem Team von mehr als 75 fantastischen Menschen, aber ohne riesigen Konzern im Rücken. Banner und ähnliche Werbemittel sind für unsere Finanzierung sehr wichtig.

Schon jetzt und im Namen der gesamten t3n-Crew: vielen Dank für deine Unterstützung! 🙌

Deine t3n-Crew

Anleitung zur Deaktivierung
Artikel merken

Bitte melde dich an, um diesen Artikel in deiner persönlichen Merkliste auf t3n zu speichern.

Jetzt registrieren und merken

Du hast schon einen t3n-Account? Hier anmelden

oder
Auf Mastodon teilen

Gib die URL deiner Mastodon-Instanz ein, um den Artikel zu teilen.

Anzeige
Anzeige