Batterieentwicklung - Super-Akku gesucht

Die Lithium-Ionen-Batterie wird auf absehbare Zeit die wichtigste Kraftquelle für Elektroautos bleiben, doch sie bietet viel Verbesserungspotenzial. Forscher in Ulm entwickeln Kraftspender der Zukunft. Wunder darf man vorerst aber nicht erwarten.

Heizung und Radio einschalten, Licht an und dann mit Vollgas von Berlin nach München düsen – wer glaubt, das ginge auch mit einem Elektroauto, hat sich getäuscht. Schon die Heizung kann an kalten Tagen die Batteriereichweite um fast die Hälfte reduzieren, hohes Tempo und Steigungen zehren ebenfalls am Energievorrat. Professor Werner Tillmetz bremst die Hoffnung auf Wunderautos: „Die Lithium-Ionen-Technologie wurde ursprünglich für Notebooks und Handys entwickelt. Jetzt packt man sie in ein Auto und meint, alles geht so einfach wie im Handy. Das geht natürlich nur ansatzweise“, so der Leiter des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Ulm.

Im Juni wird das ZSW um einen 6600 Quadratmeter großen Neubau erweitert. Im „E-Lab“ sollen dann neue Akkus für Elektroautos auf Herz und Nieren geprüft werden. Dazu stehen Klimakammern, Sicherheitstestbunker und andere Anlagen bereit. Betriebstemperaturen von -30°C bis +50°C, 300.000 Lade- / Entlade-Zyklen und mehr als zehn Jahre kalendarischer Lebensdauer zählen zu den Anforderungen, die die Kraftspender erfüllen sollen. Außerdem will man am ZSW Technologien zur Zellfertigung entwickeln. „Auf diesem Gebiet befindet sich Deutschland im Vergleich zu anderen Ländern wie China deutlich im Rückstand“, so Werner Tillmetz.

Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf Lithium-Ionen-Akkus. Ob Tesla Roadster, Nissan Leaf, BYD E6 oder Opel Ampera - fast alle aktuellen und für die nahe Zukunft angekündigten Elektroautos verwenden irgendeine Spielart dieser Akkutechnik, zum Beispiel Lithium-Kobaltoxyd, Lithium-Manganoxyd oder Lithium-Eisenphosphat. Das so genannte Aktivmaterial ist der Schlüssel der Batterietechnik. Man erkennt es im Akku meist als schwarze Schicht auf einer dünnen Metallfolie. „Es gibt Materialien, die sich bei einem Unfall sehr ungünstig verhalten. Dann bedarf es entsprechender Sicherheitsmaßnahmen wie stabiler Gehäuse und einer aufwändigen Temperaturüberwachung“, erklärt Werner Tillmetz.

Als sicher und unproblematisch gilt dagegen Lithium-Eisenphosphat. Das setzen zum Beispiel der italienische Stromer-Produzent Tazzari und der chinesische Hersteller BYD ein. „Ein Nachteil ist die etwas geringere Kapazität beim Eisenphosphat-Akku im Vergleich zu anderen Materialien“, so Tillmetz. Die Anwendung ist aber nicht nur auf Elektroautos beschränkt. „Mercedes wird Lithium-Eisenphosphat in einigen Jahren für Starterbatterien bei konventionellen Fahrzeugen einsetzen“, kündigt Herbert Kohler an, im Daimler-Konzern Entwicklungschef für alternative Antriebe.

Freilich ist auch die Lithium-Ionen-Technologie nicht der Weisheit letzter Schluss. Der nächste Schritt könnten Lithium-Schwefel-Akkus oder Metall-Luft-Akkus sein. „Die würden eine deutliche Steigerung des Energiegehaltes bewirken“, so Werner Tillmetz. Bei diesen Akkus befinde sich die Fachwelt aber noch in der Phase der Grundlagenforschung, betont der ZSW-Leiter: „Wann solche Batterien serienreif sein könnten, lässt sich noch nicht sagen.“ Unter anderem forschen die Japaner mit Hochdruck an derartigen Akkus. Die deutsche Firma DBM Energy hat derweil Schlagzeilen mit einem Lithium-Polymer-Akku gemacht. Die Fachwelt wartet aber noch auf einen offiziellen Beweis für die Fähigkeiten des DBM-Systems in einem Elektroauto.

Aus derzeitiger Sicht dürften Stromer in absehbarer Zukunft auf Reichweiten von maximal 200 Kilometern beschränkt bleiben. Für Langstrecken setzt die Autoindustrie deshalb auf Brennstoffzellenfahrzeuge. Die werden ebenfalls elektrisch angetrieben und benötigen einen Akku, haben aber mit der Brennstoffzelle samt Wasserstoff als Energiespeicher quasi ihr eigenes Kraftwerk an Bord. „Verbrennungsmotoren werden unter anderem wegen der immer aufwändigeren Abgasnachbehandlung teurer, Brennstoffzellenautos wegen wachsender Stückzahlen billiger. Die Akkukosten werden ebenfalls sinken, allerdings in einem begrenzten Fenster auf etwa 300 Euro pro Kilowattstunde Batteriekapazität“, glaubt Werner Tillmetz.

Eine McKinsey-Studie hat prognostiziert, dass um das Jahr 2025 herum der Brennstoffzellenantrieb etwa genau so viel kosten wird wie ein Hybridantrieb oder ein konventioneller Verbrennungsmotor. „Bei der Brennstoffzelle reden wir dann von einem Mittelklassefahrzeug mit ungefähr 100 kW Leistung, 180 Km/h Höchstgeschwindigkeit und 500 Kilometern Reichweite“, sagt ZSW-Leiter Tillmetz. Brennstoffzellenfahrzeuge werden also deutlich stärker als rein batterieelektrische Fahrzeuge dem entsprechen, was man heute vom Auto gewohnt ist. Alle Prognosen setzen freilich zwingend den Aufbau der nötigen Infrastruktur und die Massenproduktion von Akkus und Brennstoffzellen voraus.