Alternative Antriebstechnik

Wie die Autobatterien aussehen werden, die in Zukunft bei Recyclern ankommen, ist höchst ungewiss. Denn die gängige Lithium-Ionen-Batterie für Elektroautos wird kontinuierlich weiterentwickelt. Gut möglich, dass Elektroautos auch gar keine Batterie mehr haben werden.

Elektroautos: Die ungewisse Zukunft der Auto-Batterie


Die Batterie ist noch immer der größte Bremsklotz bei der Elektromobilität. Kaum jemand zahlt 25.000 Euro und mehr für ein Auto, das maximal nur 400 Kilometer weit fährt, dessen Batterie Stunden zum Aufladen braucht, schnell altert und noch dazu temperaturanfällig ist. Eine neue Technologie könnte Abhilfe schaffen und all diese Probleme lösen.

Denn Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) haben die Zellen der monopolaren Lithium-Ionen-Batterie (mit ein Elektroauto üblicherweise fährt) völlig neu angeordnet. Bislang besteht die herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie aus vielen kleinen Batterien aus einzelnen, miteinander verbundenen Zellen. Die Zellen sind nebeneinander angeordnet. Ganz anders jedoch bei der neu entwickelten Batterie.

„Wir wickeln die Zellen im Prinzip aus und verwenden eine sogenannte Bipolar-Technologie, sodass wir die Elektroden einfach stapeln können“, erklärt Mareike Wolter, Gruppenleiterin Mobile Energiespeichersysteme am IKTS. Ein solcher Stapel bestehe aus einer Schicht von Anoden und einer Schicht aus Kathoden. Dazwischen liege der Elektrolyt.

Reichweiten von über 500 Kilometern möglich

Die Elektroden seien so angeordnet, dass ein Pluspol immer auf einem Minuspol liege. Durch den effizienten Stapelaufbau steige die Energiedichte. Die neue Lithium-Bipolar-Batterie kann laut IKTS-Wissenschaftlern somit bei gleichem Gewicht sehr viel mehr Energie speichern. Das Ergebnis: eine größere Reichweite für Elektroautos. Eine Reichweite von über 500 Kilometer könnte so in greifbare Nähe rücken.

Die neue Batterietechnologie kann mit einem weiteren Vorteil punkten: Sie ist platzsparender als die herkömmlichen, etwas sperrigen Lithium-Ionen-Batterien. Aufgrund der neuen Anordnung hat die neue Batterie das Format einer größeren Matte. Statt im Vorderbau des Autos lasse sie sich optimal in den Fahrzeugboden einbauen, wie Wolter erklärt.

Das Forschungsprojekt drehte sich darüber hinaus auch ums Thema Materialkosten. Die Forscher haben gezeigt, dass sich mit herkömmlichen Materialien allein durch eine andere Herstellungsweise und eine bessere Verbindung der Pole eine deutlich höhere Energiedichte erreichen lässt. „Der Clou liegt in der Fertigungs- und Prozesstechnik“, so Wolter.

Neue, günstigere und sichere Materialien

Der nächste Schritt sei das Weglassen oder Reduzieren von kostspieligen Materialien und die Nutzung von neuen, günstigeren Materialien. Dadurch könnten die Kosten gesenkt werden. Durch die Entwicklung neuer Materialien ließe sich nicht zuletzt auch eine größere Reichweite erreichen, ist die IKTS-Wissenschaftlerin überzeugt.

Dabei setzen das IKTS und seine Projektpartner auf Aktivmaterialien mit hoher Sicherheit und Kapazität. Aktuell kommt laut Projektbeschreibung in der Anode Lithium-Titanat zum Einsatz. In der Kathode werde Lithium-Nickel-Mangan-Spinell zum Erreichen hoher Zellspannungen eingesetzt. Die Vorteile dieser Kombination: Langlebigkeit und hohe Energiedichte der beiden Aktivmaterialien würden optimale Systemeigenschaften (500 Wh/l) garantieren.

Noch dominieren Lithium-Ionen-Zellen den Markt und die Forschungen rund um wiederaufladbare Batterien. Sie haben ihre Konkurrenten, die Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Zellen im Laufe der vergangenen Jahre aus dem Feld geschlagen. Denn bezüglich Energiedichte, Zyklenfestigkeit und Selbstentladungsrate sind die Lithium-Ionen-Batterien den anderen Technologien haushoch überlegen.

Hoffnungsträger der Autobranche ist Wasserstoff

Allerdings geht von ihnen eine nicht zu unterschätzende Gefahr aus. Wer Akkus zum Beispiel im Winter unbenutzt in der Garage aufbewahrt, riskiert eine sogenannte Tiefenentladung. Wird der Akku danach aufgeladen, kann er explodieren. Auch bei unsachgemäßer Behandlung oder bei Beschädigungen kann der Akku explodieren oder in Brand geraten. Daher suchen Ingenieure und Entwickler nach anderen Lösungen.

Der große Hoffnungsträger der Autobranche ist Wasserstoff. Seit Jahrzehnten schon forschen die Autohersteller an der Brennstoffzelle. In Brennstoffzellenfahrzeugen, wie sie derzeit von mehreren Herstellern getestet werden, sorgt ein Elektromotor für Vortrieb. Der für den Betrieb des Elektromotors benötigte Strom kann dank der Brennstoffzelle an Bord erzeugt werden. Daher würden sich Brennstoffzellen-Autos auch für Langstrecken eignen. Wenn denn genügend Wasserstoff an Bord ist.

Eben das ist der Schwachpunkt der Brennstoffzellen-Technik. Denn das Speichern von Wasserstoff im Auto ist bislang mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Außerdem ist das Wasserstoff-Tankstellennetz in Deutschland mit etwa 34 Tankstellen äußerst großmaschig. Zudem wird in der Brennstoffzelle der aktuellen Generation das teure Platin verbaut. Es verwundert daher nicht, dass die Zahl an Serienwagen mit Brennstoffzellen-Technologie derzeit noch sehr überschaubar ist.

Sauberer Fahrspaß ist äußerst kostspielig

Toyota und Hyundai haben als einzige Hersteller Autos mit Brennstoffzelle in Großserie. Die Brennstoffzellen-Fahrzeuge der vierten Generation bei Hyundai, wie der ix35 Fuel Cell, haben laut Hersteller eine Reichweite von bis zu 594 Kilometern mit einer einzigen Tankfüllung. Und Volltanken dauert nur drei Minuten. Mit ähnlichen Zahlen kann auch Toyota für seine Mittelklasse-Limousine Mirai werben.

Der Fahrspaß ist zwar umweltfreundlich, da aus dem Auspuff nur Wasserdampf kommt. Allerdings ist er sehr kostspielig. Die Kosten für einen Fuel Cell von Hyundai liegen bei 65.450 Euro aufwärts. Für einen Mirai müssen über 78.500 Euro hingeblättert werden. Es muss also noch kräftig an der Preisschraube gedreht werden, bevor die Brennstoffzellen-Technik für den Otto-Normal-Verdiener erschwinglich wird. Bis sich diese Technik durchsetzt und in größerem Maße in Altautos bei den Recyclern landet, wird wohl noch recht viel Zeit ins Land gehen.

Anders könnte es in Japan aussehen. Toyota hat Anfang dieses Jahres erstmals zwei Busse mit Brennstoffzellenantrieb verkauft. Diese sogenannten Fuel-Cell-Busse mit der Bezeichnung Toyota FC Bus werden bereits im Linienverkehr in Tokio eingesetzt. Im Vorfeld der Olympischen und Paralympischen Spiele 2020 in der japanischen Hauptstadt plant Toyota die Einführung von mehr als 100 Brennstoffzellenbussen. Diese sollen vornehmlich im Großraum Tokio zum Einsatz kommen.

Mercedes wählt Mittelweg

Den Mittelweg zwischen beiden Technologien – zwischen Brennstoffzelle- und Lithium-Ionen-Zellen – hat Mercedes gewählt. Der Autobauer will im Herbst sein erstes Serienmodell mit Wasserstofftechnik auf den Markt bringen. Der SUV GLC wird allerdings ein Plug-in-Hybrid. Ist gerade kein Wasserstoff zur Hand, kann er auch rund 50 Kilometer mit dem Strom aus der Batterie fahren. Die Batterie könne an jeder Haushaltssteckdose geladen werden, wie Mercedes mitteilt.

Die Kosten dieser innovativen Technologie hat Mercedes nach eigenen Angaben deutlich senken können. Das sei unter anderem durch die Reduktion des Platinanteils im Stack um 90 Prozent gelungen. Zu welchem Preis diese Technologie letztendlich zu haben sein wird, ist aber noch nicht bekannt.

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