Elektroauto-Batterie

Elektroauto: Forscher tüfteln an der Batterie der Zukunft

Elektroautos sollen zunehmend Pkw mit Verbrennungsmotor ablösen. Ein großes Problem: Die bisherige Batterietechnik muss früher oder später durch eine andere abgelöst werden. Wie ist hier der Stand der Dinge?

elektrotankstelleFür die Lithium-Ionen-Batterie läuft die Zeit ab. Welche Alternativen gibt es für den Antrieb von Elektroautos?© Petair/ Fotolia.com

Das Rennen ist offen: Welche Technologie sich bei den Energiespeichern für Elektroautos in den kommenden Jahren durchsetzen wird, ist noch nicht abzusehen. Zwar gibt es einen aktuellen und bereits traditionellen Favoriten – die Lithium-Ionen-Batterie. Aber wie es so ist mit Favoriten: Auch sie gelangen irgendwann einmal an ihre Grenzen. Und bei der Lithium-Ionen-Technik scheint sich dieser Augenblick bereits abzuzeichnen. Höchste Zeit, sich nach Alternativen umzusehen.

Das Pflichtenheft ist prall gefüllt

Der Forderungskatalog an die Energiespeicher der Zukunft ist nicht von schlechten Eltern. Maximale Reichweite sollen die neuen Akkus haben, möglichst nicht unter 500 Kilometern. Witterungsunabhängig sollen sie sein, damit die volle Reichweite bei jeder Temperatur zur Verfügung steht - bei brütender Hitze ebenso wie bei klirrender Kälte. Eine hohe Lebensdauer sollen sie aufweisen, genauso hoch wie die des Fahrzeugs, in das sie eingebaut sind. Mindestens. Ach ja: Preiswert sollen sie dabei auch noch sein.

Und das Wichtigste: Der Ladevorgang soll nicht länger dauern als das Volltanken herkömmlicher Automobile, denn erst kurze Ladezeiten, möglichst nicht über fünf Minuten, machen ein Automobil zu dem, was es eigentlich sein soll: ein universell einsetzbares Transportmittel, das ohne ständige Terminplanung für das Laden flexibel einsetzbar ist.

Laut internationaler Energieagentur soll es 2020 weltweit 20 Millionen Elektroautos geben, ansteigend auf 70 Millionen bis 2025. Dazu kommen Lippenbekenntnisse einer Reihe von Ländern, langfristig komplett auf Elektrofahrzeuge umsteigen zu wollen - darunter einige europäische Staaten und Indien. Ohne einen Quantensprung in der Akkutechnologie werden sich derart hohe Ziele aber wohl nicht umsetzen lassen.

Die Materialfrage als Flaschenhals

Wie gesagt: Die Lithium-Ionen-Batterie wird die hohen Erwartungen an zukünftige Energiespeichermedien mit großer Wahrscheinlichkeit nicht erfüllen können. Seit die erste durch den Elektronikkonzern Sony kommerziell vermarktete Lithium-Ionen-Akkus im Jahr 1991 auf den Markt gebracht wurde, hat sich beim Material der Kathode nicht viel geändert. Sie besteht nach wie vor hauptsächlich aus Lithium-Kobaltoxid. Das weist zwar eine hohe Energiedichte auf, aber im Übrigen bereitet es wenig Freude: Das Material ist giftig und wegen der kostenintensiven Förderung ziemlich teuer - mit ansteigender Tendenz. Dass bei der Gewinnung vielfach Kinderarbeit ins Spiel kommt, lässt das Material noch weniger zukunftsträchtig erscheinen.

Das Problem ist die Seltenheit des Materials. Kobalt ist fast ausschließlich in Sambia und Kongo zu finden. Die Fördermenge stieg in den letzten zwanzig Jahren erheblich. Für die Akkufertigung sind das keine guten Nachrichten, denn Kobalt wird auch für die Stahlherstellung benötigt. Der Zeitpunkt, an dem Kobalt zu einem unbezahlbaren Luxusstoff wird, kann nicht mehr in allzu weiter ferne liegen.

Auf dem Weg ins Post-Kobalt-Zeitalter

Lithium-Ionen-Batterie © Volkswagen AG

Was die Angelegenheit so kompliziert macht: Die Lithium-Ionen-Technologie ist im Grunde ein sehr effektives Verfahren, besonders nach den Leistungssteigerungen und Weiterentwicklungen seit ihrer Erfindung. Die Ionen sind kompakt und leicht und die Wanderungsgeschwindigkeit zwischen Anode und Kathode ist hoch. Zudem hat sich die Ladekapazität über die Zeit verdreifacht. Ein Lithium-Ionen-Akku hält mittlerweile bis zu 10.000 Ladezyklen aus - nach rund 50 zu Beginn.

Eigentlich alles in Ordnung - wenn nur nicht das Kobalt wäre. Zwar versuchen die Forscher, dem Problem durch Senkung des Kobaltanteils und den Ersatz durch Mangan oder Nickel beizukommen. Doch dem sind physikalische Grenzen gesetzt, denn ab einem bestimmten Punkt leidet die Stabilität des Gesamtsystems darunter. An einer vollständig kobaltfreien Batterie führt also kein Weg vorbei.

Auf bestehenden Techniken aufbauende Strategien können nur in Teilbereichen Lösungen anbieten. So kommt die Wiederaufbereitung alter Lithium-Ionen-Akkus zunehmend ins Gespräch. Doch auch das kann nur eine vorübergehende Maßnahme darstellen, bis tragfähige neue Konzepte das Licht der Welt erblicken.

Hoffnungsträger Natrium

Auf der Suche nach alternativen Materialien hat sich neben Aluminium, Magnesium und Kalzium vor allem Natrium als substantielle Alternative profiliert. Die Natrium-Ionen-Batterie ist bisher das am weitesten fortgeschrittene Alternativkonzept und steht kurz vor der Serienreife. Forschungen hierzu finden etwa an der Hochschule Landshut innerhalb des Projektes "HochNaB" statt.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist die Ähnlichkeit zur Lithium-Technik. Im Grunde muss an der Batterie nicht viel verändert werden - lediglich der Austausch von Lithium gegen Natrium ist erforderlich. Das bringt den großen Vorteil mit sich, dass die Kathode kein Kobalt mehr enthalten muss.

Auch die anderen technischen Daten können sich sehen lassen: Die Stabilität ist hoch und weist einen hohen Wirkungsgrad auf. Zudem ist Natrium ein unproblematischer und nachhaltiger Rohstoff, der beispielsweise im Meerwasser in unerschöpflichen Mengen zur Verfügung steht. Doch für Elektroautos gibt es einen Dämpfer: Die Energiedichte reicht nicht an die von Lithium heran, daher eignet sich die Technik wohl eher für Speicheranlagen alternativer Energieerzeuger wie Windkraft und Solarstromanlagen.

Spitzenkandidat Magnesium

Besonders für Elektroautos könnte Magnesium eine interessante Zukunftsperspektive sein. Magnesium-Schwefel-Akkus können - zumindest theoretisch - noch höhere Energiedichten erreichen als Lithium-Ionen-Batterien. Und auch bei dieser Variante gibt es keine Materialprobleme. Sowohl Magnesium als auch Schwefel sind auf dem Planeten in Hülle und Fülle vorhanden.

Doch bis zur Marktreife ist noch einiges an Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten. Vor allem bei der Energieeffizienz und einer vernünftigen Zahl an Ladezyklen gibt es noch erheblich Defizite.

Botschaft aus der Zukunft: organische Elektroden

Zunehmend zeichnet sich die ideale Lösung aus einer Richtung ab, mit der niemand gerechnet hat: durch organische Stoffe bis hin zu Bioabfällen. Mit ihnen lassen sich technische Lösungsansätze entwickeln, die bisher undenkbar erschienen.

Einer der heißesten Kandidaten ist biologisches Kupfer-Porphyrin. Forscher haben es modifiziert und mittels eines raffinierten Verfahrens stabilisiert. Die technischen Daten bei Energiedichte und Ladezyklen ähneln denen von Lithium-Ionen-Akkus. Die Revolution findet beim Laden statt: Kupfer-Porphyrin-Akkus lassen sich in einer Minute vollladen. Damit würde das alltagstaugliche Elektroauto tatsächlich Wirklichkeit. Und damit auch die optimistischen Verbreitungsprognosen der internationalen Energieagentur.

Am Helmholtz Institut Ulm werden Forschungen mit Hilfe allerhand von Materialien betrieben. 2011 vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründet, haben sich die Wissenschaftler das Ziel gesetzt, Batteriekonzepte der nächsten Genrationen zu entwickeln und so die Energiewende und den Umstieg auf elektronisch angetriebene Fahrzeuge voranzutreiben.

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