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Auf der Jagd nach dem Super-Akku

Ladevorgang E-Auto
 
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Wie funktioniert eigentlich eine Elektroauto-Batterie? Wodurch wird die Ladekapazität bedingt? LOWAGO klärt die wichtigsten Fragen rund um den E-Auto-Akku.

Die Entwicklung begann mit einem Frosch.

Wir haben die Batterie einem Frosch zu verdanken. Und einer kranken Frau. Denn für sie wollte Luigi Galvani (1737-1798) eine Brühe aus Froschschenkeln zubereiten, damit sie wieder zu Kräften kam. Der Arzt und Wissenschaftler zerlegte die Frösche dafür kurzerhand selbst – auf einem Kupfergitter in seinem Labor an der Universität Bologna, an dem seine Assistenten gerade Versuche mit einer Elektrisiermaschine durchführten. Dabei sprangen Funken vom stählernen Skalpell über das Kupfergitter zu einem der toten Frösche über, der daraufhin zu zucken begann. Dem Phänomen ging Galvani intensiver nach und entwickelte darüber die Galvanische Zelle – eine Vorrichtung zur Umwandlung von chemische in elektrische Energie. So entstanden schon vor über 230 Jahren die technischen Grundlagen heutiger Batterien: Eine Kombination von zwei unterschiedlichen Elektroden und einem Elektrolyten. Letzteres wurde bei Galvanis Laborversuch durch Salzwasser im Froschschenkel gebildet (vgl. Energiegeschichte).
Auch die Elektro-Traktion hat eine lange Geschichte: Bereits 1881, als Benz und Daimler noch mit Verbrennungskraftmaschinen experimentierten, baute der französische Ingenieur Gustave Trouvé bereits ein Dreirad, das sich mit Hilfe eines Elektromotors bewegte. Bei Schrittgeschwindigkeit kam man mit einer Batterieladung etwa 25 Kilometer weit.

Woraus bestehen Batterien?

Seitdem hat sich nicht nur die Elektromobilität, sondern auch die Batterietechnik rasant weiterentwickelt. Blei-Akkus (als Akkumulatoren oder kurz: Akkus, bezeichnet man Batterien, die sich wieder aufladen lassen) sind auch heute noch im Einsatz. Etwa in Form von Starterbatterien für Autos mit Verbrennungsmotoren nach dem Prinzip Otto oder Diesel. Jedoch hat sich ihre Energiedichte in den zurückliegenden 140 Jahren nur geringfügig verbessert – auf etwa 30 Wattstunden pro Kilogramm. Ein Elektroauto mit einem Akku würde also heute nur wenig weiterkommen als die ersten Stromer aus dem 19. Jahrhundert.
Viele Jahrzehnte hat man deshalb an anderen Materialzusammensetzungen für die Elektroden der Batterie und für das Elektrolyt geforscht. Um auf höhere Energiedichten zu kommen, aber auch um Batterien mit einer längeren Lebensdauer zu erhalten. Denn Bleiakkus müssen in der Regel nach fünf Jahren und spätestens nach 700 Ladezyklen ausgetauscht werden. Die Forschungsarbeiten brachten im vergangenen Jahrhundert unter anderem Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid-Systeme hervor, auch Natrium-Nickelchlorid- und Natrium-Schwefel-Batterien. Zudem wurden Energiespeicher, bei denen Luft-Sauerstoff mit Zink reagiert, entdeckt. In einem Großversuch der deutschen Autoindustrie auf der Ostseeinsel Rügen in den 1990er Jahren wurde mit den unterschiedlichen Batteriesystemen ausgiebig getestet, allerdings wurden sie für den Einsatz im Elektroauto zum größten Teil für untauglich befunden. Die Batterien arbeiteten nicht zuverlässig genug, brachten nicht die erhoffte Leistung oder waren aufgrund der Materialkosten zu teuer für einen Großserieneinsatz.

Welche Rolle spielt der Lithium-Ionen-Akku?

Den Durchbruch brachte schließlich der Lithium-Ionen-Akku – ein Energiespeicher, bei dem die elektromagnetische Kraft durch die Verschiebung von Lithium-Ionen von der positiven zur negativen Elektrode erzeugt wird. Die negative Elektrode besteht hier meistens aus Graphit und Lithium, die Positive in der Regel aus Nickel, Mangan und Kobalt. Lithium-Ionen-Zellen erreichen hohe Leistungsdichten von derzeit etwa 120 Wattstunden und kommen mit einer Nennspannung von 3,7 Volt auf einen hohen Wirkungsgrad. Sie sind bei guter Pflege alterungsbeständig und entladen sich nicht so schnell wie andere Batterietypen.
Entwickelt wurde der neue Batterietyp ursprünglich für den Betrieb von Super-8-Kameras von Sony. Später kam er in tragbaren Computern und Telefonen zum Einsatz – an Elektroautos hatten die Forscher erst einmal nicht gedacht. Dort kommen sie erst seit diesem Jahrhundert zum Einsatz – das erste Großserienauto mit dieser Batterietechnik war 2006 der Mitsubishi i-MiEV, der damit immerhin rund 150 Kilometer zurücklegen konnte.

Wie funktioniert das Laden mit Lithium-Ionen-Akkus?

Beim Ladevorgang wandern positiv geladene Lithium-Ionen aus einer externen Stromquelle zur Anode, wo sie gespeichert werden. Während der Fahrt wird der Akku entladen. Dabei fließen die Lithium-Ionen aus der Anode zurück zur Elektrode, um einen externen Verbraucher zu versorgen.

Wohin geht die Entwicklung der E-Auto Batterie?

Die Entwicklung schreitet weiter und das in jeder Beziehung und mit großer Geschwindigkeit. Es gibt viele Ansatzpunkte für Optimierungen: Heutige Lithium-Ionen-Akkus verbrauchen noch viele wertvolle Ressourcen und sind noch vergleichsweise teuer. Natürlich würden die Ingenieure der Autoindustrie gerne noch mehr Energie in den Batterieblöcken speichern können, um die Reichweite der Elektromobile noch weiter steigern zu können. Ein Tesla Model S beispielsweise kommt in der Langstrecken-Version zwar heute schon auf Reichweiten von rund 600 Kilometer, jedoch ist der Akkublock mit einer Speicherkapazität von 100 Kilowattstunden (kWh) groß und schwer: Vom Gesamtgewicht des Fahrzeugs in Höhe von 2212 Kilogramm entfallen allein 600 Kilogramm auf den Stromspeicher. Bei anderen Elektroautos ist der Anteil der Batterie am Gesamtgewicht sogar noch größer. Der Trend geht derzeit zu noch größeren Batterien, die noch mehr Reichweite bringen sollen. So soll der geplante Tesla Roadster eine Batterie mit einer Speicherkapazität von 200 kWh erhalten, um mit einer Geschwindigkeit von knapp 100 km/h rund 1000 Kilometer ohne Ladestopp fahren zu können.
Die Batterieforscher sind also gefordert. Weltweit ist die Jagd nach dem Super-Akku bereits in vollem Gange. Der perfekte Stromspeicher soll nicht nur eine höhere Leistungsdichte als Lithium-Akkus der heutigen Bauart haben, sondern auch weniger Ressourcen verbrauchen, schneller Energie aufnehmen können, kompakter sein und obendrein weniger kosten und länger leben. Aktuell liegen die Fertigungskosten für eine Batteriezelle bei etwa 100 Dollar pro Kilowattstunde Speicherkapazität. Die Kalkulationen der Autohersteller gehen davon aus, dass ein Akku nach 1000 Ladezyklen noch etwa 75 Prozent seiner ursprünglichen Speicherkapazität besitzt. Auf Dauer lässt sich somit ein Kapazitätsverlust nicht vermeiden. Die Toyota-Tochter Lexus gibt auf den Akku deshalb eine Garantie über 1 Million Kilometer. Andere Hersteller sind vorsichtiger und ersetzen den Speicher nur bis zu einer Laufleistung von 240.000 Kilometer oder weniger auf eigene Kosten. Die Lebensdauer der Batterie hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem auch vom Ladeverhalten des Elektroauto-Besitzers. So kann eine Vielzahl von Schnelladevorgängen das Altern der Batterie deutlich verkürzen, weshalb Tesla bei seinen Modellen die Ladeleistung über die Software herunterregelt, wenn der Fahrer häufig einen Supercharger anfährt.

Welche Verbesserungen befinden sich in der Entwicklung?

Die Forscher setzen dabei auf die Optimierung der Anode und Kathode, des Plus- und Minuspols der Batterie. Und auf bessere Elektrolyten – jenes Medium, in dem sich die Ionen von einer Elektrode zur anderen bewegen. Die bisher verwendeten und leicht brennbaren organischen Flüssigkeiten wollen Chemiker durch feste anorganische Stoffe ersetzen, etwa durch Keramikpulver. Durch Festionenleiter, die nicht mehr altern und tiefentladefest sind und die ohne Kobalt und andere kritische Stoffe auskommen. Eine derartige Feststoffbatterie könnte schon bald in einem Serienauto zum Einsatz kommen und damit der Elektromobilität im wahrsten Sinne noch mehr Fahrt geben. Hocheffizient, nachhaltig, umweltverträglich und obendrein auch verantwortungsvoll.
Sie haben Fragen oder Anregungen? Dann wenden Sie sich gerne uns: Kontakt LOWAGO Team.