Elektromobile Anwendungen

Mit neuen Technologien sollen die Leistung und Lebensdauer von Batterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge deutlich verbessert werden. Vielversprechend ist unter anderem ein neuartiges Kohlenstoffpulver. Aber auch andere Technologien sind in der Entwicklung - wie etwa die Verwendung von Silizium oder Lithium-Luft-Akkus.

Neues Additiv macht Batterien leistungsfähiger


Bei der Batterietechnik für Elektro- und Hybridfahrzeuge tut sich so einiges. Innovationen sind auch notwendig, denn auf diesem Markt hängt einfach alles von der Batterie ab. „Wenn die Innovationen auf diesem Gebiet hinter den Erwartungen zurückbleiben, stagnieren auch das Marktwachstum und die Nachfrage unter den Verbrauchern“, betont Thomas Hucke, Leiter des Start-up Battery im Technologiekonzern Heraeus.

Heraeus will deshalb die Kapazität und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien mit einem innovativen Kohlenstoffpulver deutlich erhöhen. Das synthetische poröse Kohlenstoffpulver steigere als Batteriezusatz die Energiespeicherdichte und Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien für elektromobile Anwendungen um 20 Prozent, erklärt das Unternehmen. Dies sei in kürzlich durchgeführten Tests nachgewiesen worden.

Das Pulver aus der Porocarb-Produktfamilie verfügt über ein durchgängiges Porennetzwerk mit Poren zwischen 10 und 1.000 Nanometern und einem Porenvolumen von bis zu 2,5 Kubikzentimeter pro Gramm. Dadurch sei es im Vergleich zu herkömmlichen Kohlenstoff-Additiven möglich, neben den elektrischen auch die ionischen Transportprozesse in Batterien deutlich zu verbessern, erklärt Hucke. Dieses Additiv will Heraeus zukünftig auch in Bleisäurebatterien anwenden. Hier soll Porocarb eine 100 Prozent höhere Lebensdauer ermöglichen.

Silizium könnte Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus erhöhen

Bei der Steigerung der Energiedichte und Kapazität besteht aber insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren noch Entwicklungsbedarf. Die besten Lithium-Ionen-Akkus in Elektroautos erreichen derzeit eine Energiedichte von etwa 250 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Im Durchschnitt haben die Akkus eine Energiedichte von 150 bis 200 Wh/kg. Zum Vergleich: Bleiakkumulatoren haben eine Energiedichte von nur 30 Wh/kg, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren kommen auf 40 bis 60 Wh/kg und Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren erreichen zwischen 60 und 110 Wh/kg.

Welche Technologien derzeit in der Entwicklung sind, erklärte Laurens ten Horn in der vergangenen Woche beim International Congress for Battery Recycling (ICBR) in Antwerpen. Ten Horn ist Chairman der Policy Working Group bei Eucobat, dem europäischen Verband der nationalen Sammelsysteme für Batterien. Er nannte unter anderem Silizium. So könnte sich die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus mit Hilfe von Anoden aus kristallinem Silizium um das Sechsfache erhöhen. Silizium würde sodann Graphit ersetzen, das bislang als Anodenmaterial verwendet wird.

Als weitere Nachfolgetechnik nannte ten Horn Lithium-Schwefel-Akkus. Bei diesen Akkus wird Schwefel in der Kathode in der Regel als Komposit mit Kohlenstoff eingesetzt, wodurch die Elektrode eine genügende elektrische Leitfähigkeit erhält. Für die Anode wird Lithium-Metall als Folie oder Beschichtung eingesetzt. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)hat ausgerechnet, dass in Prototypzellen damit circa 350 Wh/kg erreicht werden. Das Potenzial bei der Weiterentwicklung der Lithium-Schwefel-Zellen schätzen die Forscher aber noch viel höher ein. Sie erwarten eine Energiedichte zwischen 400 und 600 Wh/kg.

Mit Lithium-Luft-Akkus könnten Autos wesentlich weiter fahren

Die dritte Technologie, die ten Horn vorgestellt hat, könnte sich zu einer echten Konkurrenz für Lithium-Ionen-Akkus auswachsen: die Lithium-Luft-Technologie. Lithium-Luft-Akkus können theoretisch die 20-fache Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Akkus erreichen. Für Elektroautos etwa bedeutet das: Sie könnten deutlich weiter als heutzutage fahren, bevor ihre Batterie wieder neu aufgeladen werden muss.

Allerdings halten diese Akkus bislang nur wenige Ladezyklen durch, weil während des Betriebs von Lithium-Luft-Akkus eine besonders reaktionsfreudige Form des Sauerstoffs entsteht. Dadurch zersetzt sich der Elektrolyt schnell und die Kohlenstoff-Elektrode korrodiert. Doch Wissenschaftler suchen auch hierfür schon nach einer Lösung: Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich und der Technischen Universität München sind bereits dabei, Lithium-Luft-Akkus gezielt zu verbessern.

Schließlich nannte ten Horn auch die Natrium-Sauerstoff-Batterie als Abwandlung der Lithium-Sauerstoff-Batterie. Diese Batterievariante habe den Vorteil, dass Natrium nicht mit Stickstoff reagiert und somit direkt mit Luft betrieben werden kann. Die Energiedichte von Natrium-Sauerstoff-Batterien fällt zwar nur halb so hoch aus wie bei Lithium-Sauerstoff-Akkus, doch das wäre immerhin noch fünfmal besser als bei Lithium-Ionen-Akkus. Und die Natrium-Sauerstoff-Batterie habe noch einen weiteren Vorteil, wie ten Horn erklärte: Das verwendete Natrium sei deutlich erschwinglicher als Lithium.

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