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Testbericht

Joaquim Oliveira, 14. April 2020
Das lateinische Motto - einst ersonnen, um olympische Athleten zu inspirieren und eingeführt bei den Olympischen Spielen von Paris im Jahre 1924 - passt perfekt zu den Anforderungen an die Akkutechnik. Die Herausforderungen könnten auch in Zeiten der Corona-Krise größer kaum sein.

Autohersteller und Zulieferer investieren derzeit Milliarden, damit die perfekte chemische wie wirtschaftliche Gleichung es dem Elektroauto ermöglicht, auf lange Sicht erfolgreich zu sein. Seit dem Jahre 1859, als der erste wiederaufladbare Blei-Säure-Energiespeicher erfunden wurde, gab es kein so großes Interesse an wiederaufladbaren Batterien. Wenig später tauchten die ersten Prototypen auf und der britische Erfinder Thomas Parker baute schon 1884 den ersten elektrischen PKW, der mit wiederaufladbaren Batterien unterwegs war. Es folgten Jahre der Expansion, in denen Elektroautos erste Geschwindigkeitsweltrekorde brachen (1899 erreichte die \"Jamais Contente\" 105,88 km/h) und zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren stattliche 38 Prozent der Fahrzeuge auf den amerikanischen Straßen rein elektrisch unterwegs.

Der Ausbau der Straßennetze in Europa und den USA stellte die Elektrofahrzeuge jedoch vor Herausforderungen, da diese die längeren Fahrstrecken nicht bewältigen konnten und daher keine praktikable Lösung für den Alltag mehr darstellten. Gleichzeitig machte die Entdeckung von gigantischen Ölreserven an mehreren Orten auf dem Planeten Benzin billiger und zugänglicher. Letztlich sorgten die Erfindung des Motorstarters (Charles Kettering, 1912) und des Abgasschalldämpfers (Percy Maxim, 1897) für den endgültigen Niedergang des Elektroautos. Erst mit der Ölkrise in den 70er und 80er Jahren des letzten Jahrhunderts kehrte das Interesse an Elektrofahrzeugen hauptsächlich bei amerikanischen und japanischen Marken zurück, aber die installierten Branchenlobbys töteten dieses Wiederaufleben schneller als es ernsthaft aufkeimen konnte. Erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts haben die Wirtschaftskrise in Europa und den USA und das wachsende globale Umweltbewusstsein die Rolle der Elektrizität in der Automobilindustrie und in der individuellen Mobilität aus dem Tiefschlaf erweckt.

Heute befindet sich die Automobilindustrie in einem radikalen Wandel und das allgemeine Verständnis der gesamten Branche ist, dass die nächsten zehn Jahre mehr Veränderungen bringen werden als die letzten fünf Jahrzehnte. Das nächste als Wendepunkt genannte Zieldatum ist 2025, wenn die Reduzierung der Batteriekosten, der Ausbau der Ladeinfrastruktur und die sehr strengen Umweltgesetze das elektrifizierte Auto zu einer ernsthaften Option für Verbraucher machen. Bis dahin dürfte ihr jährlicher Marktanteil laut einer aktuellen Studie des Beratungsexperten JP Morgan bei rund 30 Prozent liegen. Dieses Szenario wird jedoch nur dann eintreten, wenn die Batterien günstiger sowie kleiner werden und durch eine höhere Energiedichte größere Reichweiten bieten.

Die Herstellungskosten sind mit steigendem Produktionsumfang zuletzt um rund 15 Prozent pro Jahr gesunken und Zulieferer (fast ausschließlich Asiaten wie Panasonic, LG Chem und CATL) senken ihre Margen so stark, dass die Preisparität zu Antriebssystemen mit Verbrennungsmotoren steigt. Die Nachfrage nach Chemikalien, die eine höhere Energiedichte bieten, soll in Zukunft vermeiden, dass Edelmetalle und andere besonders teure Rohstoffe ausgewählt werden, wie Natasha Kaneva, Direktorin für Metallforschung und -strategie bei JP Morgan, erklärte: \"Batteriehersteller sind Rohstoffen durch die Materialkosten stark ausgesetzt, die sich im Laufe der Zeit proportional zu den Gesamtkosten der Batterie erhöhen. Wenn die Batteriekosten auf 100 USD / kWh sinken, machen die Rohstoffkosten 56 Prozent des Preises aus (heute deutlich höher als 35 Prozent), wenn die Rohstoffkosten gleich bleiben.\"

Viele Ingenieure und Wissenschaftler sind der Ansicht, dass die traditionelle Lithium-Ionen-Chemie bereits ihr volles Potenzial erreicht hat und Entwicklungsabteilungen Ressourcen für die Suche nach dem neuen heiligen Gral sparen. Die weit verbreitete Überzeugung ist dabei, dass keine einzelne Technologie den Akkusektor dominieren wird, da unterschiedliche Chemikalien unterschiedliche Kriterien in Bezug auf Energiedichte, Kapazität, Haltbarkeit, Leistung, Kosten, Ladezeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit aufweisen. Andreas Hintennach, Batterieexperte im Hause Daimler erklärt, dass unter den vielen vielversprechenden Chemikalien verschiedene hervorstechen: \"Lithiummetall und Silizium zeichnen sich durch eine überlegene Energiedichte bei entsprechender Sicherheit aus. Festkörperbatterien bieten Sicherheitsvorteile, sind jedoch sehr teuer ohne schnelle Aufladung und mit unzureichender Haltbarkeit. Lithium-Schwefel bietet eine höhere Energiedichte und niedrige Kosten bei unzureichender Haltbarkeit. Lithiumoxigen bieten eine sehr hohe Energiedichte, impliziert jedoch die Verwendung sehr teurer Materialien (Katalysatoren) und eine unzureichende Haltbarkeit.\"

Von diesen Chemikalien scheint diejenige, die aufgrund ihrer Vorteile am ehesten die Nachfolge von Lithium-Ionen antreten kann, die Festelektrolyt, die als All Solid State Battery (ASSB) bekannt ist. Sie ermöglicht die sichere Verwendung von reinen Lithiumanoden und erhöht die Energiedichte jeder Zelle um 40 Prozent. Sie schaltet neue Arten von Kathoden frei, da das Festkörperelektrolyt auf Oxidbasis nicht kollabiert und die Energiedichte um weitere zehn Prozent erhöht. Sie ebnet so den Weg für eine neue Klasse von Kathoden wie Schwefel oder Sauerstoff, die eine noch potenzielle Erhöhung der Energiedichte ermöglichen. Dieser Fortschritt geht Hand in Hand mit einer großen Sicherheit, da die Anwendung eines festen Materials anstelle eines brennbaren flüssigen Elektrolyts die Bildung von Dendriten verhindert. In Elektrolyten sind Lithiumchips enthalten, die zu Kurzschlüssen in der Batterie führen können, was zu Ausfällen führen kann. Zudem dürfte eine größere Einfachheit der Zellen zu nennenswerten Kosteneinsparungen führen.

Die vielen Millionen Dollar, die derzeit in die Entwicklungsabteilungen der Automobilhersteller und Akkufirmen fließen, sollten es ermöglichen, Probleme im Zusammenhang mit schnellem Laden und der Langlebigkeit in Solid State Batterien zu lösen. Eine Markteinführung sollte in den nächsten zwei Jahren jedoch zunächst in Nischenanwendungen bei High-End-Unterhaltungselektronik erfolgen. Hier gibt es eine große Zahlungsbereitschaft der Nutzer für eine höhere Energiedichte und die Entwicklungszyklen sind vergleichsweise kurz. Erst danach ist zu erwarten, dass sich ASSB für andere Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und Netzwerkspeicher verbreitet.

Quelle: Autoplenum, 2020-04-14

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