Energiespeicher Auf der Suche nach dem Akku der Superlative

Alle reden davon. Von der Elektromobilität, die dabei ist, sich von einer Vision zur Realität zu mausern. Wie von Geisterhand verschwindet ein ganzer Reigen von Nachteilen, die man mit dem Verbrennungsmotor als Kraftquelle der heutigen Autos über Jahrzehnte billigend in Kauf genommen hat. Stinkende, röhrende Fahrzeuge sind endgültig passé.

Die Vorteile des Stromautos sind offensichtlich. Sie punkten mit sehr guten Beschleunigungswerten. Sie emittieren während der Fahrt keine Abgase. Selbst beim heutigen deutschen Strommix bleibt ein Elektroauto unter dem künftigen europäischen Flottengrenzwert von 120 Gramm Kohlendioxid je Kilometer. Zudem fahren die Fahrzeuge leise, brauchen kein Getriebe und können, so die Idee, mittelfristig als Puffer im Stromnetz wirken: Denn mit steigendem Anteil regenerativ erzeugter Elektrizität müssen Lastschwankungen "aufgefangen" werden. Dazu braucht man (Strom-)Speicher, die im Zeitalter der Elektromobilität in Form von dann millionenfach vorhandenen Batterien in unseren Autos zur Verfügung stehen.

Doch bis es so weit ist, wird noch einige Zeit ins Land gehen. Erst in 20 Jahren, rechnen Fachleute, wird sich Schritt für Schritt die Ablösung der Otto- und Dieselaggregate durch elektrische Antriebe vollziehen. Dass es nicht schneller geht, liegt an dem für die Elektromobilität zentralen Bauteil: der Batterie. Ihre Schwächen gilt es auszutreiben, was keineswegs trivial ist, denn künftige Akkus müssen gleich in vier Punkten besser werden. Die Ladezeiten müssen kürzer, die Reichweiten größer, die Anschaffungskosten geringer und die Probleme bei der Sicherheit beseitigt werden.

Das gilt sogar für den neuen Toyota Prius

Von dieser Eigenschafts-Mischung sind heutige Batterien noch meilenweit entfernt. Das gilt sogar für den neuen Toyota Prius in der Plug-in-Version (kann an der Steckdose aufgeladen werden), der mit seiner Lithium-Ionen-Batterie eine elektrische Reichweite von etwa zwanzig Kilometer hat. Aber das ist ein Hybridwagen, der auf seinen Verbrennungsmotor zurückgreifen kann. Selbst Reichweiten von bis zu 150 oder 200 Kilometer für elektrisch betriebene Autos erscheinen noch ungenügend. Deshalb arbeitet man längst an der Entwicklung anderer Batterietypen. Doch der Gestaltungsspielraum ist verfahrensbedingt beschränkt, denn die Bestandteile eines Akkumulators mit zwei Elektroden, einem Elektrolyten und dem die Elektroden trennenden Separator sind immer die gleichen. Verändern lassen sich die für diese Komponenten verwendeten Materialien, wobei die Forscher derzeit international dem Leichtmetall Lithium (für den Aufbau der Elektroden) den Vorzug geben. Der Grund: Lithium ist nach Wasserstoff und Helium das drittleichteste chemische Element, seine Molekülmasse extrem gering. Zudem ist Lithium sehr reaktiv, seine Ionen bewegen sich äußerst schnell, so dass man beim Einsatz von Lithium bei gleicher Masse deutlich mehr Energie speichern kann als in blei- oder nickelbasierten Akkus.

Doch Lithium-Ionen-Batterien sind keine neue Erfindung. Bereits Anfang der neunziger Jahre brachte Sanyo den ersten kleinen Lithium-Akku auf den Markt, der mit hoher Leistung, kurzen Ladezeiten und einer angemessenen Lebensdauer überzeugte. Heute sind Lithium-Ionen-Akkus als Stromquellen für Handys, Laptops und Digitalkameras nicht mehr wegzudenken. Sie sind jedoch nicht ganz unproblematisch. Kleinere Beschädigungen, hohe Temperaturen und unzulässig hohe Ladespannungen können dazu führen, dass die Akkus "durchgehen". Unfälle mit den Laptop-Akkus halten sich jedoch in Grenzen. Bei einigen der im Internet bei Youtube zu betrachtenden Katastrophenfilmchen haben wohl erst Nachbearbeitungen die verblüffenden Effekte ins Bild gebracht.

Rund 450 Kilogramm schwerer Powerpack

Im Auto haben diese Batterien jedoch nichts zu suchen, darin ist sich das Gros der Batterieforscher einig. Sie halten wenig davon, wie beim kalifornischen Sportwagen Tesla nahezu 7000 der Kleinakkus zu einem 55 Kilowattstunden starken und rund 450 Kilogramm schweren Powerpack zusammenzuschalten, der ständig mit einer Mischung aus Wasser und Glykol gekühlt werden muss. Dieses Konzept taugt lediglich als Übergangslösung. Für rein elektrisch betriebene Fahrzeuge, die europäischen Crashtestvorgaben genügen, müssen Lithium-Ionen-Batterien entwickelt werden, die eine große Energiedichte (Wattstunden je Kilogramm) für eine akzeptable Reichweite und zudem für die Spritzigkeit gute Leistungswerte (Watt je Kilogramm) vorweisen können. Dazu kommen zwei weitere essentielle Anforderungen: Die Akkus der Zukunft müssen schnell mit neuer Kraft gefüllt werden können, und sie müssen sicher sein.

Gleich mehrere Forschungseinrichtungen wie das Stuttgarter Max-Planck-Institut und das auf diverse Standorte verteilte Fraunhofer-Batterie-Netzwerk arbeiten an geeigneten Lösungen. So versucht man etwa, den flüssigen Elektrolyten durch nicht brennbare, ionenleitfähige Polymere zu ersetzen, was die Sicherheit der Akkus deutlich verbessern würde. Denn werden die Zellen bei einem Unfall beschädigt, kann der Elektrolyt nicht auslaufen und zu brennen beginnen. Diesem Vorzug steht jedoch ein nicht unerheblicher Nachteil gegenüber: Bei Polymer-Ionen-Akkus müssen sich die Ionen durch den gelartigen Kunststoff quälen. Das braucht Zeit, so dass das Laden und Abrufen der gespeicherten Energie lange dauert.

Einen völlig anderen Weg beschreitet die Li-Tec Battery GmbH aus Kamenz in Sachsen, wo das dem Chemie- und Energiekonzern Evonik und Daimler gehörende Unternehmen versucht, Anschluss an die in Japan und Südkorea vorauseilende Batterietechnik zu halten. Mit ihrer Li-Tec-Zelle meinen sie, gute Chancen zu haben, denn sie konnten mit der Entwicklung eines hauchdünnen, keramischen Separators gleich mehrere Vorzüge erreichen: Das "Separion"-Vlies trennt zuverlässig Anode und Kathode und ist dennoch durchlässig für Lithium-Ionen, die beim Laden und Entladen zwischen den Elektroden hin- und herwandern. Und anders als Kunststoffseparatoren, die bei etwa 140 Grad schmelzen, verträgt das Keramikmaterial Temperaturen von bis zu 700 Grad unbeschadet.

Mehr als 2000 Ladezyklen seien möglich

Jede der nach dem Coffeebag-Prinzip (und damit nicht gewickelt) aufgebauten Zellen enthält 60 Din-A4-große Separatoren, die eine gleiche Menge an Elektroden auseinanderhalten. Trotz dieser Viellagigkeit ist eine 40-Amperestunden-Zelle nur zwölf Millimeter dick, so dass eine aus 100 Zellen aufgebaute Fahrzeugbatterie „lediglich“ 150 Kilogramm auf die Waage bringt und damit noch vergleichsweise handlich ausfällt. Bei der Deutschen Accumotive, ebenfalls in Kamenz, sollen vom kommenden Jahr diese Lithium-Ionen-Großbatterien vom Band laufen. Weiter ist geplant, dass 2012 mit diesen Akkus der Smart-fortwo-Electric-Drive bestückt wird, der mit den darin gespeicherten 18 Kilowattstunden 160 Kilometer wird rollen können. Die Ladezeit wird sechs bis acht Stunden betragen; mehr als 2000 Ladezyklen seien möglich, was einer Fahrleistung von rund 300.000 Kilometer entspräche.

Längst wird an noch leistungsfähigeren Akkus gearbeitet, so an Zink-Luft-Systemen, bei denen das für die Kathodenreaktion benötige aktive Material, der Sauerstoff, nicht in der Batterie vorhanden ist, sondern von außen kommt. Batterien diesen Typs gibt es zwar bereits, sie werden vor allem in Hörgeräten eingesetzt, doch sie haben den Nachteil, nicht wieder aufladbar zu sein.

Große Erwartungen werden auch in Metall-Luft-Batterien gesetzt, die anstelle von Zink metallisches Lithium verwenden und im Vergleich zum Zink-Luft-Akku noch einmal eine um den Faktor vier höhere Energiedichte erwarten lassen. Weitere Steigerungen sind dann nicht mehr möglich, denn die in den galvanischen Systemen ablaufenden elektrochemischen Prozesse setzen dem Ganzen nicht zu überlistende naturwissenschaftliche Grenzen.

Damit steht fest, auch die „Batterie der Zukunft“ wird das Auto nicht zum Dauerläufer machen. Der rein elektrische, Akku-gespeiste Antrieb wird der Kurzstrecke vorbehalten bleiben. Größere Distanzen schaffen dagegen die mit dem Strom einer Brennstoffzelle gespeisten Fahrzeuge. Doch diese Technik ist derzeit noch weit von der Serienreife entfernt.