Reichweite von E-Autos Forschen am Super-Akku

Foto: Jan Michael Hosan

Mehr Reichweite, schnelleres Laden: Festkörperakkus sollen E-Autos billiger und langstreckentauglicher machen. Doch bis die Powerbatterien kommen, werden noch Jahre vergehen.

Zwei Schritte vor, einen Schritt zurück. So funktioniert Forschung, wie sich am Beispiel sogenannter Wunderakkus immer wieder zeigt. 2014 hatte die von der Bundesregierung eingesetzte Nationale Plattform Elektromobilität darauf gesetzt, dass Lithium-Schwefel-Batterien in wenigen Jahren auf eine deutlich höhere Energiedichte kommen würden als klassische Lithiumakkus. Schon zwei Jahre später überwog die Skepsis. Es sei "weitgehend offen, ob sich der theoretisch nachgewiesene Vorteil auf Zellebene auch praktisch umsetzen lässt", so das Expertengremium.

Mittlerweile liegen die Hoffnungen auf dem Festkörperakku, in den etwa Mercedes, Renault-Nissan, Stellantis, Toyota und Volkswagen massiv investieren. Der wiederum ist zunächst einmal nichts anderes als ein Lithium-Ionen-Akku mit einem kleinen, aber nicht unwesentlichen Unterschied: Während die in der Kathode geparkten Ionen in konventionellen Akkus während des Ladens durch einen flüssigen Elektrolyten zur Anode wandern, kommt hier festes Material zum Einsatz.

Als Feststoff-Elektrolyt kommen zwei verschiedene Materialklassen infrage: Keramiken oder Kunststoffe. Letztere sind als Lithium-Polymer-Batterie bereits in Serie; Mercedes-Benz setzt sie im Linienbus Citaro ein. Um die Ionen leiten zu können, muss das Material allerdings zunächst auf 70 bis 80 Grad vorgeheizt werden. Deshalb eignet sich die Technik nicht für den Pkw. Zudem stellen sich Sicherheitsfragen, seit in Stuttgart im Herbst 2021 ein Busdepot ausbrannte und in Paris Elektrobusse mit den gleichen Akkus von Blue Solutions in Flammen aufgingen.

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Deshalb setzen die Pkw-Hersteller auf Keramiken. Doch was ist durch die Umstellung von einer Flüssigkeit auf feste Stoffe gewonnen? "Betrachtet man nur das spezifische Gewicht des Materials, spart man erst mal gar nichts. Im Gegenteil", sagt Jürgen Janek, der an der Universität Gießen forscht. "Der eigentliche Vorteil einer solchen Batterie erschließt sich nur, wenn man Grundlegendes an der Anode ändert." Genau das hat Jörg Hoffmann vor, der das Feststoffzellen­programm des Volkswagen-Konzerns verantwortet und dafür eng mit dem kalifornischen Unternehmen Quantum Scape zusammenarbeitet. Sein System basiert auf einer metallischen Lithiumanode – ein Begriff, der in die Irre führen kann. Denn eigentlich existiert die Anode im ungeladenen Zustand überhaupt nicht. Vielmehr baut sich die Lithiumschicht erst während des Ladens aus den zugewanderten Teilchen auf. Das spart Platz, stellt die Entwickler aber vor neue Herausforderungen. "Die Kunst besteht darin, die Schicht über der gesamten Fläche sehr gleichmäßig aufzubauen", erläutert Hoffmann Denn nur, wo die darüber­liegende Schicht an der Grenzfläche direkten Kontakt habe, könnten weitere Ionen zuwandern. "Diese Herausforderung hat Quantum Scape in allen bisherigen Tests gemeistert."

Auch Uwe Keller, Leiter der Batterieentwicklung von Mercedes, sieht die Lithium-Metall-Anode als Mittel der Wahl. "Damit könnten wir deutlich kleinere Zellen bauen", so der Fachmann. Alles auf eine Karte zu setzen, kommt für ihn allerdings nicht infrage. Deshalb haben die Stuttgarter auch gleich zwei Partner im Rennen: Factorial Energy, ein US-amerikanisches Unternehmen, das auf schwefelbasierte Keramiken setzt, und Prologium aus Taiwan, das auf Sauerstoffverbindungen basierende, deutlich festere Keramiken nutzt. Sie zu verarbeiten, ist aber schwieriger. Deshalb enthält die erste Generation sowohl einen flüssigen Elektro­lyten als auch einen keramischen Separator. Auch andere Anbieter setzen auf Zwitterlösungen, in denen ein kleinerer Teil des flüssigen Elektrolyten an Bord bleibt, um den Kontakt an den Grenzflächen zu Anode und Kathode sicherzustellen.

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Einen wichtigen Zwischenschritt auf dem Weg zur Festkörpertechnik sieht Keller zunächst darin, das Grafit auf der Anodenseite größtenteils durch Silizium zu ersetzen. Die Kohlenstoffmatrix dient nur noch als Trägermaterial, das Silizium speichert die Ionen ein, dadurch verringert sich die Dicke der Anode deutlich. Pro Liter Zellvolumen sind circa 800 Wattstunden Energie zu speichern. Premiere wird die Technik 2024 in der Elektroversion der G-Klasse haben. Der Hochsiliziumakku wäre damit nicht mehr weit weg von den 1.000 Wattstunden, die die Zielmarke für die Feststoffzelle darstellen.

Ob die Akkus nicht nur mehr Reichweite bieten, sondern auch weniger kosten, ist derzeit völlig unsicher. Zu Beginn – das heißt in der zweiten Hälfte dieses Jahrzehnts – wollen ­Mercedes-Benz, Toyota und Volkswagen nur kleine Serien bauen. Da die Akkuproduktion hoch automatisiert erfolgt, bedeuten kleine Mengen immer hohe Kosten. Wie schnell sich Feststoffbatterien im Volumenmarkt durchsetzen, kann nicht einmal Forscher Janek sagen. Stattdessen verweist er darauf, dass das entscheidende Patent für den Lithium-Ionen-Akku aus dem Jahr 1985 stammt. Der erste Einsatz im Auto erfolgte in der Hybridversion der S-Klasse im Jahr 2008. Wunder dauern meist etwas länger.

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