Akkutechnik der Zukunft - Höchstleistung

Ob und wie schnell sich Elektroautos durchsetzen, entscheidet im Kern nahezu ausschließlich die Akkutechnik. Derzeit geben Lithium-Ionen-Akkus den Ton an; doch bei dieser Technologie wird es nicht bleiben.

Die Elektroautos tun sich weltweit schwer, doch der Trend zu Ihnen ist nicht zu übersehen. Erst jüngst legte China ab dem Jahre 2019 eine Elektroquote fest. Auch wenn viele das Elektroauto seit Jahren herbeireden; die Marktdurchdringung an Fahrzeugen mit Elektroantrieb oder zumindest der Übergangslösung Plug-In-Hybrid ist minimal. Die Gründe hierfür sind vielfältig, doch im Kern geht es neben einer sinnvollen Ladeinfrastruktur vor allem um die Batterien. Denn anders als bei Fahrzeugen mit Verbrennermotor, sind nicht die Triebwerke das Herz eines elektrifizierten Autos, sondern die Akkus. Sie legen fest, wie weit ein Auto fahren kann, wie schnell es an der Steckdose wieder zu Kräften kommt und nicht zuletzt wird der Preis eines Elektroautos essenziell vom Preis des Batteriepaketes beeinflusst.

Die vergleichsweise betagte Akkutechnik der Nickel-Metallhybrid-Batterien die viele Hersteller in den Anfangsjahren der elektrischen Bewegung verwendeten, sind heute nur noch bei einigen Hybridmodellen zu finden, die sich nicht an der Steckdose laden lassen. Das gilt insbesondere für die technisch vergleichsweise einfachen Hybridmodelle japanischer und einiger amerikanischer Hersteller. Die moderneren Plug-In-Hybriden verfügen durchweg über Lithium-Ionen-Akkus, die auf kleinerem Platz eine deutlich größere Energiedichte unterbringen. Zudem sind nicht nur die modernen Plug-In-Hybriden, sondern insbesondere die Elektroautos mit Lithium-Ionen-Akkus unterwegs.

Mussten die Nutzer von Elektroautos bis vor kurzem noch zittern, ob sie mit ihren Nominalreichweiten von 130 oder 190 Kilometern auch sicher am Ziel ankamen, wenn die im Fahrzeug Verbraucher wie Klimaautomatik, Sitz-, Heckscheiben- oder Lenkradheizung genutzt wurden oder man bei winterlichen Temperaturen unterwegs war, so sieht das bei den aktuellen Elektroautoautos deutlich entspannter aus. Tesla hat es mit seinen Modellen vorgemacht, die anderen Autobauer aus Europa, Asien und den USA ziehen nach. Der neue Nissan Leaf II schafft es trotz höherer Motorleistung auf bis zu 500 Kilometer. Ähnlich weite Ziele erreichen Modelle wie der Opel Ampera-e oder die kommenden Modelle die unter den Labeln VW I.D. oder Mercedes EQ verkauft werden. "Ich halte eine Vergrößerung der Batterie-Leistung auf 250 Prozent des jetzigen Energieinhaltes bei Lithium-Ionen-Batterien bis etwa 2020 für sehr wahrscheinlich", sagt Professor Martin Winter, einer der führenden Batterie-Experten Deutschlands am Institut für Physikalische Chemie der WWU Münster.

Auch wenn andere Akkutechniken wie Polymere oder Feststoffbatterien langsam an die Tür zur Großserien-Autotechnik klopfen, ist Professor Martin Winter überzeugt davon, dass die Lithium-Ionen-Akkus die Autofahrer noch eine Weile begleiten werden. Der Hauptgrund ist die Belastbarkeit der bewährten Batteriezellen. Aus diesem Umstand resultieren einige interessante Optionen für die Zukunft der E-Autos: Ein Range-Extender muss nicht zwingend ein Verbrenner oder eine Brennstoffzelle sein. Eine Hochenergie-Batterie könnte den Lithium-Ionen Akku genauso gut mit Strom versorgen. Die stressvolle Arbeit, also das Beschleunigen und Rekuperieren übernehmen die Lithium-Ionen-Akkus. Für die Hochenergiespeicher kämen neue Batterie-Konzepte, wie Lithium-Schwefel oder Lithium-Luft in Frage. Bis diese Ideen einsatzbereit sind, werden aber noch einige Jahre ins Land gehen. Konzerne wie General Motors, Toyota und Volkswagen arbeiten zusammen mit Hochschulen und Forschungsorganisationen mit Hochdruck an Feststoff-Akkus, während Audi auf der IAA 2017 mit der Studie des Aicon eine höchst visionäre Luxuslimousine des Jahres 2030 präsentierte. Ihre vier Elektromotoren werden von einer Feststoffbatterie gespeist, die eine Reichweite von bis zu 800 Kilometern realisiert. Im Vergleich zu einer gewöhnlichen Lithium-Ionen-Batterie kann eine Lithium-Feststoffbatterie nicht nur besonders schnell Energie aufnehmen, sondern auch in kurzer Zeit sehr hohe Leistungen verarbeiten - ideal für die Autoindustrie.

Nachdem die ersten Reichweiten von Elektroautos zumeist Alltagswünsche offenließen, sieht das mittlerweile deutlich besser aus. Einige Modelle schaffen zumindest unter Testbedingungen oder bei zurückhaltender Fahrt bis zu 500 Kilometer ohne nachzuladen. Und selbst Kleinwagen wie Renault Zoe oder BMW i3s schaffen rund 300 Kilometer während Tesla mit seinem neuen Model 3 stufenweise mehr ansteuert.

Bei den Wunderbatterien, die immer wieder durch das Internet geistern, fehlen oft die genauen Informationen, so dass die Experten keine Prognose wagen, ob das ein Schritt in die richtige Richtung ist. Das gilt auch für die Nano FlowCell-Batterien des selbst ernannten Chefchemikers Nunzio La Vecchia, der Musiker war, ehe er sich in rund 48 Monaten per Selbststudium zum Batterieexperten ausbildete. Die bahnbrechende Erfindung sei nicht die Flusszellen-Technologie, sondern die Zusammensetzung des Elektrolytes. Das Wasser wird in einem feinen Nebel versprüht und die Salz-Reste des Elektrolytes in einem Sieb gefangen, das man selbst wechseln kann. Auch der Verschleiß soll gering sein: Die Flusszellen-Batterie soll 10.000 Ladezyklen vertragen, ehe die Membran gewechselt werden muss. Bei einer Reichweite von rund 1.000 Kilometern pro Ladung, wären das traumhafte Werte.

Eines der heißen Projekte, an denen die Batteriebranche mit Hochdruck arbeitet, sind "grüne" Batterien, bei denen organische Materialien die Abhängigkeit von teuren und seltenen Ressourcen verringern sollen. Denkbar sind zum Beispiel ein fluorfreies Elektrolyt oder Membranen aus Proteinen. Die Krux an diesen Konzepten ist, dass viele dieser Batterien mehr Bauraum brauchen, um die gewünschte Leistungsfähigkeit zu erreichen. Und genau der ist bei Autos per se knapp bemessen. Dieser Zielkonflikt zeigt das Dilemma der Batterie-Tüftler. "Wir suchen nach wie vor nach der eierlegenden Wollmilchsau", fasst Martin Winter zusammen. Batterien, die schnell geladen werden können, wie zum Beispiel die "Toshiba SCiB" (Super Charge iron Battery) haben im Moment noch eine geringe Energiedichte. Andere Systeme, wie etwa Lithium-Schwefel oder Lithium-Luft, die auf wenig Gewicht setzen und zum Beispiel zu einem Großteil die eigentlichen reaktiven Materialien enthalten, brauchen wiederum mehr Platz. Durch die Komplexität der Akkus könnte der Gewichtsvorteil dann wieder egalisiert werden.

Ein Problem ist mit den neuen Akkus jedoch noch immer nicht gelöst: die Ladung. Die meisten potenziellen Kunden könnten das eigene Elektroauto zu Hause aufgrund fehlender Infrastrukturen, Mehrfamilienhäusern und keiner festen Parkplätze gar nicht laden. Und der Ladeprozess an sich, ein schweres Elektrokabel bei Wind und Wetter ins Auto und eine stationäre Steckdose zu stöpseln, dürfte nicht nur für komfortverwöhnte Kunden teurer Fahrzeuge kaum komfortabel sein. Und das volumenmäßig induktive Laden ist schon aufgrund der damit verbundenen Kostenstrukturen weiter entfernt denn je. Mittlerweile gibt es bei den Autobauern verschiedene Konzepte, was mit den Akkupaketen wird, wenn diese im Auto ausgedient haben. Nissan etwa nutzt alte Batterien aus dem Leaf nun zur Notstromversorgung im Ajax-Stadion in Amsterdam. Die grauen und schwarzen Metallschränke stehen tief in den Eingeweiden der Amsterdam Arena. Das Stadion ist die Heimat des Fußballclubs Ajax Amsterdam und der niederländischen Nationalmannschaft. Zudem finden dort regelmäßig Konzerte statt und andere Veranstaltungen. Mehr als zwei Millionen Besucher strömen jedes Jahr durch die Tore der Arena, die 55.000 Sitzplätze bietet. Für Firmen wie Microsoft, Huawei, Philips, Eaton oder Nissan ist sie zudem ein ideales Testfeld, um Innovationen unter anderem in den Bereichen Sicherheit, Gebäudetechnik und Nachhaltigkeit auszuprobieren. Die Energiemanagement-Unternehmen Eaton, The Mobility House sowie Nissan haben im Laufe der Jahre eine Notstromversorgung für das Stadion entwickelt - nicht mehr Verbrennungsmotoren springen zur Überbrückung von Stromausfällen ein, sondern gebrauchte Batterien aus Elektrofahrzeugen. Das "xStorage"-System fasst in der Amsterdam Arena insgesamt 280 wiederaufbereitete Batteriepakete aus diversen Nissan Leaf zu einem großen Speicher zusammen.