So werden Elektroauto-Batterien günstiger und praktischer

Etwa 30 Jahre nach ihrer Erfindung sind Lithium-Ionen-Batterien heute das dominierende Energiespeichersystem. Heute kommen in fast jedem neuen Elektroauto Batterien zum Einsatz, deren Leistung seit ihrer Erfindung im Jahr 1990 stetig verbessert wurde. Das Potenzial der Technologie ist jedoch noch nicht ausgeschöpft, wie mehrere Hersteller kürzlich bewiesen haben.

Am offensichtlichsten ist die rasante Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterien im Hinblick auf die Kosten. Vor etwa zehn Jahren kostete eine Kilowattstunde Speicherkapazität rund tausend Euro. Heute sind es nur noch rund hundert Euro. Stanley Whittingham prognostiziert, dass der Wert künftig auf 50 Euro fallen könnte. Er erhielt 2019 zusammen mit zwei weiteren Forschern den Nobelpreis für die Lithium-Ionen-Technologie.

Gleichzeitig verdoppelt sich die Energiedichte, was die Reichweite deutlich erhöht bzw. den Platzbedarf der Batterien deutlich reduziert. Bis dahin könnten 600 bis 700 Kilometer Reichweite auch bei Serienfahrzeugen zur Standardausstattung gehören.

Einer der wichtigsten Faktoren bei der Batterieoptimierung ist das Design der Batterie. Derzeit besteht nur ein relativ kleiner Teil einer Batterie aus aktiven Materialien, den Komponenten, die direkt für die Energiespeicherung verantwortlich sind. Eine komplette Batterie für ein Elektrofahrzeug besteht größtenteils aus inaktiven Materialien, darunter nicht nur der Elektrolyt, sondern auch die Verpackung der Batteriechemie sowie einfache elektrische Kontakte und Stromkabel.

Der Grund für dieses Ungleichgewicht liegt in der traditionellen Bauweise. Die meisten aktuellen Batterien bestehen aus einzelnen Zellen – meist kissenförmigen Plastikbeuteln, kleinen Prismen oder Zylindern – die in einem Gehäuse zu größeren Modulen zusammengefasst und anschließend zu kompletten Batterien zusammengebaut werden. Dementsprechend wird eine große Menge an Verpackungs- und Montagematerial benötigt, was das Volumen des fertigen Produkts erheblich vergrößert und somit die Kosten und die Komplexität der Produktion erhöht.

Batterien aus einer anderen Perspektive betrachten

Wenn es gelänge, das Volumen des inaktiven Materials irgendwie zu reduzieren, könnten an seiner Stelle aktive Komponenten eingebaut werden, wodurch die Kapazität erhöht würde, ohne das Volumen zu erhöhen. Dieser Prozess stößt tendenziell fast an die physikalischen und chemischen Grenzen von Lithium-Ionen-Batterien. Es ist fast unmöglich, dies zu erreichen.

Der chinesische Batteriehersteller CATL hat kürzlich einen großen Optimierungsschritt unternommen, indem er die traditionelle modulare Struktur von Batterien aufgebrochen und Batteriezellen direkt in Batteriepacks integriert hat. Dieser Ansatz würde die gravimetrische Energiedichte um 10 bis 15 Prozent erhöhen. Die Kosten werden um 20 % reduziert. Eine Batterie mit gleicher Kapazität ist etwa ein Fünftel kleiner.

Beeindruckend ist, dass Tesla in einigen Versionen des Model 3 Batterien von CATL eingebaut hat und die neuen Batterien des Unternehmens nun nach und nach die Batterien von Panasonic und LG Chem ersetzen. Auch Volkswagen hat sich vor Kurzem öffentlich zur Einführung einer CTP-Strategie bekannt. Die entsprechenden Batterien sollen erstmals etwa im Jahr 2025 im Modell Artemis und anschließend in allen Baureihen zum Einsatz kommen.

Auf lange Sicht wird die Gestaltung der Batteriestruktur flexibler: Dieser Trend ist die „CTC-Technologie“, bei der die Batterie ohne Batteriepack direkt in das Chassis integriert werden kann. Auf diese Weise wird das gesamte Auto zu einer mobilen Batterie. CATL hofft, sein Ziel bis 2030 zu erreichen. Auch Tesla scheint daran zu arbeiten.

Allerdings steht die CTC-Technologie bei Anwendung der heute üblichen elektrochemischen Prinzipien noch immer vor großen Herausforderungen. Selbst bei einer kleinen Kollision besteht eine hohe Brandgefahr. Durch die Optimierung des Bauraums für inaktive Materialien ergeben sich auch neue Potenziale für aktive Materialien.

BYD entwickelt Lithium-Eisenphosphat-Batterien und Toyota entwickelt Festkörperbatterien

Beispielsweise schien die Lithium-Eisenphosphat-Technologie (LFP) aufgrund ihres großen Platzbedarfs an den Rand gedrängt zu werden, hat aber in letzter Zeit wieder an Aufmerksamkeit gewonnen. Da die heutigen Verpackungen, Kontakte und Leitungen jedoch weniger Platz benötigen, können die Chemikalien mehr Raum einnehmen. Die Betriebssicherheit ist im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus höher, sodass in diesem Fall der Platznachteil akzeptabel ist. Auch starke mechanische Beschädigungen führen nicht mehr zu einer Selbstentzündung der Batterie.

Darüber hinaus kann bei Lithium-Eisenphosphat-Batterien die Verwendung des seltenen Rohstoffs Nickel, der teuer, selten und potenziell umweltschädlich ist, weitgehend vermieden werden. Neben CATL ist auch der chinesische Batterie- und Automobilhersteller BYD einer der führenden Hersteller von Lithium-Eisenphosphat-Batterien. BYD hat seine sogenannte Blade-Batterietechnologie kürzlich auf die Han-Serie angewendet.

Noch mehr Sicherheit versprechen Feststoffbatterien. Da sich die Blade-Batterien von BYD bei mechanischer Beschädigung nicht so leicht erhitzen wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, sind sie dennoch mit organischen, brennbaren Elektrolyten gefüllt. Bei Feststoffbatterien ist die als Ionentransportmedium benötigte Komponente keine Flüssigkeit mehr, sondern ein Feststoff. Daher kann es nicht auslaufen oder verdunsten und die Gefahr, dass es Feuer fängt, ist geringer.

Diese Technologie könnte innerhalb eines Jahrzehnts verfügbar sein. Die Toyota Motor Group beispielsweise fördert Autos mit Festkörperbatterien, nachdem sie Elektrofahrzeugen bislang eher zurückhaltend gegenüberstand. Eine sichere Alternative in Verbindung mit einem angesehenen Entwicklungsleiter könnte dies ändern.

Darüber hinaus soll künftig auch der Einsatz weiterer Batterierohstoffe reduziert werden, der prominenteste davon dürfte Kobalt sein. Ebenso werden Kupfer, Graphit und sogar Lithium aufgrund von Kosten, Lieferengpässen und Umweltschutzgründen vom Markt verschwinden. Allerdings wird es beim Lithium noch eine ganze Weile dauern, bis ein echter Ersatz gefunden ist.

Denn nicht alle der weltweit gemeldeten neuen Batterien sind für den Einsatz in Autos geeignet. Selbst wenn dies möglich wäre, können aufgrund der extrem langen Entwicklungs- und Testzyklen von der Innovation bis zur Umsetzung Jahre oder sogar Jahrzehnte vergehen. Die Lithium-Ionen-Batterie selbst ist das beste Beispiel.

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