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Batterieforschung : Auf der Suche nach dem Superakku

Der Tesla (hier das Model X) kommt auf bis zu 500 Kilometer weit mit einer Batterieladung. Bild: AP

Für effiziente Elektroautos werden leistungsfähige und stabile Akkus benötigt, die obendrein günstig sind. Es gibt viele Ideen. Doch das ideale Kraftpaket der Zukunft ist noch nicht geboren.

          3 Min.

          Batterien – ob für die einmalige oder mehrfache Nutzung – zählen zu den klassischen Energiespeichern. Sie können je nach Typ vergleichsweise große Strommengen aufnehmen, vorhalten und nach Bedarf wieder freisetzen. Unter den wiederaufladbaren Stromquellen gelten Lithium-Ionen-Akkus wegen ihrer hohen Energiedichte als Kraftpakete. Man findet sie seit langem in kompakter Bauweise in Notebooks, Handys, Digitalkameras und Akkuschraubern. Ein großes Anwendungsgebiet ist mittlerweile die Elektromobilität.

          Manfred Lindinger
          (mli), Natur & Wissenschaft

          Lithium-Ionen-Batterien sind lange Zeit vor allem in Fernost gefertigt worden, wo man auch die Laptops, MP3-Player und Handys produziert. Hierzulande lag die Forschung auf dem Batteriesektor viele Jahre fast völlig brach. Obwohl Deutschland einst als Hochburg der Elektrochemie und der Batterieentwicklung galt. Inzwischen hat Deutschland in der Batterieforschung aufgeholt und mit Herstellern wie Evonik oder Li-Tec Battery sogar den Anschluss an die Weltspitze wieder geschafft, nicht zuletzt dank kräftiger Finanzspritzen aus Berlin.

          Teure Elektromobilität

          Es gibt noch viel zu tun. Denn selbst die leistungsfähigsten Batterietypen sind technisch bei weitem noch nicht so ausgereift, dass sie ausreichend Kapazitäten böten, um den mit Windkraft und Sonne produzierten Strom wenigstens kurzfristig speichern zu können – und das zu einem bezahlbaren Preis. So finden Batterien vor allem in Elektroautos ihre Hauptanwendung. Für effiziente Elektroautos werden leistungsfähige und stabile Akkus benötigt, die obendrein günstig sind.

          Es gibt immer noch zu wenig Ladestationen für Elektroautos
          Es gibt immer noch zu wenig Ladestationen für Elektroautos : Bild: dpa

          Trotz aller Anstrengung stehen längst noch nicht die Batterien zur Verfügung, dass Elektroautos an die Reichweite von Benzin- und Diesel-Fahrzeugen heranreichen könnten. „Wir müssen die Reichweite erhöhen, aber auch den Preis und die Kosten von Elektrofahrzeugen reduzieren. Es gibt zwar bereits den Tesla, dessen leistungsfähigste Version mit einer Batterieladung eine Reichweite von bis zu 500 Kilometern erzielt, aber in der Anschaffung wohl für den Normalbürger unerschwinglich ist,“ sagt die Batterieexpertin Linda Nazar von der University of Waterloo. Die Lithium-Ionen-Batterie des Tesla kostet allein fast 40.000 Dollar. Die günstigeren Fahrzeuge anderer Hersteller kommen mit einer Batterieladung aber kaum mehr als 200 Kilometer weit. Derzeit gilt: Je größer die Reichweite, desto höher ist der Preis.

          Die Lithium-Ionen-Batterie ist der derzeit leistungsfähigste kommerziell erhältliche Batterientyp. Er hat eine negative Elektrode aus Graphit und eine positive Elektrode aus Lithium-Kobaltdioxid. Beim Laden und Entladen wandern Lithiumionen zwischen der Kathode und der Anode hin und her. Dieser Vorgang wird durch einen Elektrolyten vermittelt. Hier haben sich wasserfreie Lithiumsalze bewährt. Auf diese Weise lassen sich Zellspannungen um 3,6 Volt erreichen. Einige Hersteller verwenden andere Anodenmaterialien, etwa Lithium-Eisen-Phosphat.

          Batterieforschung - ein Hauch von Alchemie

          Dennoch können selbst die besten Lithium-Ionen-Batterien mit der Energiedichte von Treibstoffen nicht konkurrieren. In einem Liter Dieselkraftstoff steckt eine Energie von zehn Kilowattstunden. Heutige Lithium-Ionen-Akkus besitzen typischerweise eine Energiedichte von rund 100 bis 200 Wattstunden pro Kilogramm. Will man die Energiedichte steigern, hat man zwei Möglichkeiten: Man kann die elektrische Spannung in der einzelnen Batteriezelle erhöhen und die Kapazität vergrößern. Man muss also Elektroden bauen, die möglichst viele Lithium-Ionen aufnehmen können. Dabei gilt: Je höher die Energie ist, die gespeichert wird, desto höher ist auch die Reaktivität des Elektrodenmaterials mit dem Elektrolyten. Die Chemiker versuchen, dieses Hürde dadurch zu überwinden, dass sie verschiedenen Materialien miteinander kombinieren. Man hat aber noch nicht die optimale Kombination von Elektrodenmaterialien und Elektrolyten gefunden. „Einer unserer Theoretiker hat berechnet, das es 1500 mögliche Zusammensetzungen gibt. Wir müssen aber experimentell herausfinden, welche Materialien tatsächlich am besten zueinander passen“, sagt Nazar.

          Große stationäre Batterien könnten erneuerbare Energie in Häusern speichern - Prototyp von Tesla.
          Große stationäre Batterien könnten erneuerbare Energie in Häusern speichern - Prototyp von Tesla. : Bild: AP

          Hinzu kommt ein weiterer Aspekt. Bei einem Elektrofahrzeuge darf die Batterie natürlich nicht zu schwer sein. Bei stationären Batterien zur Speicherung erneuerbarer Energien spielen Größe und Volumen dagegen keine große Rolle. Für mobile Anwendung will man möglichst leichte Batterien mit kompakter Bauweise und hoher Kapazität. Deshalb findet man die leistungsfähigsten Lithium-Ionen-Batterien, die je nach Ausführung 400 bis 700 Kilogramm auf die Waage bringen, vor allem in großen mit Elektromotoren betriebenen Fahrzeugen.

          Weniger Kopfzerbrechen bereitet den Batterieentwicklern die Lebensdauer der Akkumulatoren. Hier sind große Fortschritte erzielt worden. Betrug vor zehn Jahren die Zahl der Lade-Entlade-Zyklen von Batterien mit großer Energiedichte etwa zwanzig, kommen die heutigen Systeme auf 1000 Zyklen und mehr. Tendenz steigend. Auch hinsichtlich der Sicherheit sind große Fortschritte erzielt worden.

          Neben der Verbesserung der Lithium-Ionen-Akkus arbeitet man parallel an neuen Batterietypen. Doch weder die Lithium-Schwefel-Zellen noch die wegen ihrer hohen Energiedichte vielgepriesene Lithium-Luft-Akkus haben den Weg in die breite Anwendung gefunden. Hier ist noch große Forschungsarbeit zu leisten. Bis bezahlbare saubere Elektrofahrzeugen den Straßenverkehr dominieren, wird noch einige Zeit vergehen, zumal es noch an einem großflächigen Netz an Ladestationen fehlt. Und dann ist da noch die entscheidende Frage, wie der elektrische Strom, mit den die Elektroautos betrieben werden, gewonnen wird: Aus erneuerbaren Energiequellen oder über die Verbrennung fossiler Energieträger?

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