Analyse

Akkutechnik bei Elektroautos: An diesen Verfahren forscht die Branche

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

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

Heute arbeiten Akkus von Elektroautos meistens auf der Basis von Lithium. Diese 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. Kürzlich machte außerdem ein Projekt in Bolivien Schlagzeilen, das in Kooperation mit einer deutschen Firma Lithium fördern sollte – dieses wurde urplötzlich auf Initiative von Präsident Evo Morales gestoppt, die deutsche Firma erfuhr davon erst aus Medienberichten.

Kapazitäten werden nicht ausreichen

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.

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

Eng mit dem Namen Henrik Fisker ist eine Akkutechnologie verbunden, die gleichermaßen noch in ihren Anfängen steckt. Die Fisker-Feststoffbatterie, auch Solid State Technologie genannt, soll innerhalb weniger Minuten mithilfe eines Schnellladers aufgeladen werden und 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.

Sowohl eine Allianz aus den Autoherstellern Renault, Nissan und Mitsubishi als auch Toyota bemühen sich aktuell 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. Dass Toyota derzeit noch andere Prioritäten bezüglich der Serienproduktion hat, sieht man schon daran, dass der japanische Autohersteller zusammen mit BMW (die wiederum zusammen mit 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.

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 man im April auf der Hannover Messe bestaunen: 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 zehnmal so viel Energie speichern können wie herkömmliche Graphit-Anoden, die in normalen Lithium-Ionen-Akkus vorkommen. 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. Diese sollen weniger explosionsgefährdet sein und sich innerhalb weniger Minuten wieder aufladen lassen. In wieweit das auf Kosten der Haltbarkeit geht, werden Langzeittests zeigen müssen. Bislang schafft das Unternehmen mit der sogenannten Flashbattery-Technologie immerhin, dass ein Elektroauto binnen fünf Minuten auf eine Reichweite von 320 Kilometern kommt. Legt man jetzt noch zugrunde, dass die Effizienz der E-Autos in den nächsten Jahren noch zunehmen dürfte, ist das ein beachtliches Ergebnis.

Akkutechnik-Forschung an vielen Fronten– nichts ansatzweise serienreif

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.

Dabei 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.

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