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Alternative Antriebe

Zukunftskonzepte für die Batterie-Technologie

Technik High-Tech-Batterien Foto: Achim Hartmann 14 Bilder

Die automobile Welt steht unter Strom. Elektro-Mobilität, lange als chancenlos geschmäht, wird als Retter aus Klima- und Ressourcen-Nöten angesehen. Doch noch sind in der Batterietechnik viele Fragen offen.

28.05.2009 Klaus-Ulrich Blumenstock

Der Weg zum Elektroauto vollzieht sich in Etappen: via Mild-, Full- oder Plug-in-Hybrid. Schuld daran trägt, trotz enormer technischer Weiterentwicklung, die nach wie vor begrenzte Speicherfähigkeit der Batterie.

Vision Elektromobilität 7:00 Min.

Elektrische Reichweiten bleiben vorerst begrenzt

Denn die bleibt meilenweit von dem entfernt, was Kraftstoffe aus fossilen Quellen an Energieinhalt bieten. Der Entwicklungsstand der Nickel-Metallhydrid-Speichertechnik mit Energiedichten bis etwa 80 Wh/kg ist bis dato ein Standard, den Hybrid-Pionier Toyota schon seit zwölf Jahren nutzt und damit viel Erfahrung gesammelt hat. Die will man noch gewisse Zeit nutzen, rein elektrische Reichweiten bleiben damit bis auf Weiteres auf wenige Kilometer begrenzt. Zu schwer, zu voluminös, zu geringe Reichweiten sind die Defizite.

Lithium-Ionen-Technologie soll Abhilfe schaffen

Aussicht auf Besserung verspricht erst die seit Jahren im Kleingeräte-Bereich boomende Lithium-Ionen-Technologie, die nun dem Elektroauto Beine machen soll. Das Alkalimetall Lithium ist extrem leicht und weist in der elektrochemischen Spannungsreihe das höchste negative Potenzial auf - zwei Vorteile, die es als Elektrodenmaterial wie geschaffen erscheinen lassen. Kein Licht jedoch ohne Schatten: Lithium ist extrem reaktionsfreudig, selbst die Berührung mit wässrigen Elektrolyten muss peinlich vermieden werden. Metallisches Lithium kann in Batterien also nicht eingesetzt werden.

Lade- und Entladeprozess bauen vielmehr auf den Transfer von Lithium-Ionen, die die beiden Elektroden als Wirtsstruktur nutzen und sich wechselweise dort einnisten. Die praktisch erreichbare Energiedichte von 180 Wh/kg - Experten sehen Steigerungspotenzial bis 200 Wh/kg - ist durchaus imponierend. Dies gilt allerdings nur für den Hochenergie-Typ, wie er in Elektroautos mit maximalem Streckenbedarf, aber geringer spezifischer Leistung gefordert ist. Hybridfahrzeuge hingegen verlangen kurzfristig hohe Leistung, was wiederum die spezifische Energie auf nur noch maximal 75 Wh/kg etwa halbiert.

Das Verhältnis von Hochleistungsund Hochenergie-Typ ähnelt dem von Sprinter zu Marathonläufer, und natürlich hat das Auswirkungen auf die Elektroden. Denn das Wechselspiel der Li-Ionen aus Ein- und Auslagerung - man spricht daher auch von einer Swing-Batterie - zermürbt quasi auf Dauer das Elektroden-Material abhängig von seiner jeweiligen Gitterstruktur (beispielsweise Spinell-, Schicht- oder Olivinstruktur), der so genannten Deckschichtbildung oder der Zusammensetzung des Elektrolyten.

Ladezeiten für Batterien sollen verkürzt werden

"Batteriezellen muss man als System von Materialkombinationen sehen, mit Hunderten von Varianten und damit Eigenschaften", sagt Batterieexperte Martin Winter von der Universität Münster. Als negatives Elektrodenmaterial ist Kohlenstoff verbreiteter Standard, den positiven Gegenpart können Verbindungen aus Lithium, Nickel und Kobalt spielen. Aber die Suche nach verbesserten Materialalternativen ist derzeit in vollem Gang, mitunter mit skurriler Dynamik. So wollen amerikanische Forscher nun mit einem Überzug der Elektroden aus Lithium- Phosphat Ladezeiten drastisch verkürzen, E-Autos sollten dann binnen Minutenfrist zu betanken sein. Gelänge dies, wäre eine völlig neue Hochstrom- Ladeinfrastruktur erforderlich. Davon abgesehen hält Jens Tübke vom Fraunhofer Institut für Chemische Technologie den Erfolg solcher Entwicklungen jedoch für schwer einschätzbar, aber auch nicht für ganz unrealistisch.

Ganz anders will die Ingenieursgesellschaft IAV das Ladeproblem lösen: Nach dem Transformator-Prinzip soll durch Induktion elektrische Energie kontaktlos ins Fahrzeug übertragen werden. Sowohl während der Fahrt als auch im Stand könnte so ohne Stecker permanentes Laden möglich werden. Diese "Vision 2050" setzt jedoch gewaltige Investitionen in die Infrastruktur voraus. Nicht wirklich abschließend gelöst ist neben der Lade-, Reichweiten- und Kosten-Problematik die Alterung, denn die hängt entschieden vom Betrieb in einem "gesunden" Temperaturbereich ab. Höchste Bedeutung kommt daher einem Temperaturmanagement zu, das feste Grenzen bis 60 Grad Celsius beim Laden und etwa 40 Grad im Betrieb sicherstellen muss.

Batterie zum Preis eines Kleinwagens

Zudem: Optimale Kühlung, das hat Klima-Spezialist Behr in aufwendigen Versuchsreihen ermittelt, muss die jeweilige Zellenform - zylindrisch, prismatisch oder flach - berücksichtigen. Denn müsste eine Batterie nach vier oder sechs Jahren zum Preis eines Kleinwagens ersetzt werden, wäre das für Kunden inakzeptabel - anders als bei Mini-Akkus in Laptop oder Handy. Nicht weniger groß ist die Herausforderung fürs Temperaturmanagement bei Minusgraden. Denn die würden, abhängig von der jeweiligen Materialkombination, die elektrochemischen Abläufe in der Batterie früher oder später zum Erliegen bringen. Auch darüber wären Autofahrer kaum amüsiert.

ElektrodenMaterialien- Charakterisierung
AnodeMetalllegierungen- interessante Alternativen zu Kohlenstoff (Graphit)
- z.B. LiAl oder Li5Sn22 sind vergleichbar mit metallischem Lithium
- Nachteil ist starke Volumenänderung von 100–300% (mechanische Beanspruchung) während der Ein- und Auslagerung von Lithium
AnodeLithiumtitanat (Li4Ti5O12)- freie Gitter-("Spinell"-)Struktur, in die sich Ionen einlagern können
- kein thermisches Durchgehen ("thermal runaway")
- höhere Zyklenfestigkeit, bessere Schnellladefähigkeit
- geringere Energiedichte
KathodeLithiumkobaltoxid (LiCoO2)- derzeit am häufigsten in Konsumerbatterien angewendet
- gute chemische Stabilität und elektrochemische Reversibilität (hohe Zyklenzahl)
- vergleichsweise höhere Kosten
- Ladungsdichte 150–160 mAh/g
KathodeMischoxid (NCA) Li(Ni0,85Co0,1Al0,05)O2- geringere Kosten
- Ladungsdichte 160–190 mAh/g
KathodeMischoxid (NMC) Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2- Material vereint verbesserte Sicherheit mit geringeren Kosten bei guter Leistungsfähigkeit
- Ladungsdichte 160–200 mAh/g
KathodeLithiummanganoxid (LMO, LiMn2O4- stabiler als Kobaltoxide und Kobaltnickeloxide
- thermische Zersetzung bei höheren Temperaturen
- geringe Kosten pro kW/h
- Problem: Mn-Auflösung (mangelnde Zyklenfestigkeit)
- Ladungsdichte 100 mAh/g
KathodeLithiumeisenphosphat (LFP, LiFePO4)- deutlich preiswertere Alternative
- geringeres elektrochemisches Potenzial
- sehr gute thermische Stabilität (kein "thermal runaway")
- Ladungsdichte 140–160 mAh/g
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