Zukunft der E-Auto-Batterie: So weit ist die Technik und die nächsten Schritte
Wann kommt der Wunderakku für reichweitenstarke E-Autos?
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Bessere Akku-Technik für mehr Reichweite: Was bringt die Batterie-Zukunft? Gerade kündigte CATL einen weiteren Durchbruch an. Diese neuen Technologien stehen vor der Tür, an jenen wird geforscht. Wann fahren wir mit Superakkus?
Bild: Mercedes-Benz AG
Inhaltsverzeichnis
- Li-Ionen-Akku schon 30 Jahre alt
- Drei neue Akku-Konzepte von CATL
- Zehnfache Reichweite dank Silizium-Anode
- Hat Nyobolt den Ultra-Schnelllade-Akku erfunden?
- Löst der Phoenix-Akku das Reichweiten-Problem im Winter?
- BMW-Akkus bringen 30 Prozent mehr Reichweite
- Alu-Schwefel-Akku kommt ganz ohne Lithium aus
- Zinkbatterie nutzt Chitin als nachhaltiges Elektrolyt
- SALD-Akku soll 1,6 Millionen km halten
- Feststoff-Akku – Keramik gegen Dendrite
- Was kündigt Nio für 2024 an?
- Was zeichnet Natrium-Ionen-Akkus aus?
- Wie steht es um den Zwei-Millionen-Meilen-Akku?
- Was soll das extreme Schnellladen bringen?
- Wie ordnet ein Chemieprofessor die Entwicklungen ein?
- Fazit – Der Durchbruch ist angekündigt, aber noch nicht da
Kaum eine Woche vergeht, in der nicht ein neuer Wunder-Akkus vorgestellt wird: Reichweiten von bis zu 1000 Kilometern und dazu blitzschnelle Ladezeiten, zuletzt von zehn Minuten für 400 km sind im Gespräch, zuletzt beim neuen Shenxing-Akku von CATL, der 2024 in die Massenfertigung gehen soll. Bislang sind es vor allem Ankündigungen wilder Entwicklungssprünge.
Dabei warten viele, die sich für ein neues E-Auto interessieren, auf genau diese eine Meldung: den Durchbruch in der Akkutechnik, die nicht nur 200 oder 300 km Reichweite ermöglicht, sondern bei kurzer Ladezeit das Auto in Reichweiteregionen eines Diesel-Pkw. Oft wird bei neuen und revolutionären Batterien eine schnelle Umsetzung versprochen, doch viele verschwinden wieder von der Bildfläche. Erinnert sich noch jemand an NanoFlowCell? Oder an die Kolibri-Batterie? Beide wohl gescheitert. Noch ist vom entscheidenden Durchbruch nichts zu sehen. Hier nun die jüngsten Pläne und Konzepte zur Entwicklung neuer E-Auto-Akkus.
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Die Erfahrung der jüngsten Zeit zeigt vor allem, dass Entwicklungen in der Elektrochemie ihre Zeit brauchen. Der Weg von einer Idee über eine Kleinserie bis hin zur Serienreife in Automobilen ist lang. Auch der Lithium-Ionen-Akku wurde lange weiterentwickelt, bis er marktreif und millionenfach einsetzbar war. Der kürzlich verstorbene Physiker und Nobelpreisträger John B. Goodenough entdeckte 1980 die besondere Eignung von Lithium als Kathodenmaterial. Sony startete zehn Jahre später, also vor über 30 Jahren, die erste kommerzielle Anwendung in einer Videokamera.
In der Li-Ionen-Technologie schlummert nach Ansicht von Experten viel Potenzial. Hier der Akku vom Mercedes EQA.
Bild: Daimler AG
Darüber hinaus sind die Anforderungen an Akkus in einem Pkw deutlich höher als bei Batterien der Unterhaltungselektronik. Aber bei beiden geht es um Lebensdauer, Sicherheit, Leistungsfähigkeit – und natürlich auch um Kosten. Wenn ein Bauteil mehrere Hunderttausend Mal produziert wird, potenzieren sich Centbeträge. Die meisten Forschungsprojekte beschäftigen sich damit, die bereits vorhandene Technologie weiter zu optimieren. Einige andere konzentrieren sich auf Feststoffakkus, die als das "nächste große Ding" in der Batterietechnologie angesehen werden – doch hier hat die Wissenschaft noch einen längeren Weg vor sich.
Shenxing-Akku soll in 10 Minuten Strom für 400 km speichern
Der weltgrößte, chinesische Batteriehersteller CATL (Contemporary Amperex Technology Limited), der auch in Thüringen ein Batteriewerk unterhält, macht Mitte August 2023 mit der Ankündigung eines Superakkus von sich reden: Dank des neuen Shenxing-Akkus sollen sich E-Autos binnen 10 Minuten für 400 km Reichweite laden lassen. Der Energiespeicher basiert auf konventioneller Lithium-Eisenphosphat-Technik (LFP-Technik). Seine Serienfertigung ist für Ende 2023 angekündigt, erste damit ausgerüstete E-Autos sollen im ersten Quartal 2024 vom Band rollen.
Elektrolyte mit geringerer Kälteempfindlichkeit
Vor Kurzem kündigte CATL schon einen weiteren Optimierungs-Schritt beim Lithium-Ionen-Akku an, der neue Batterien weniger kälteempfindlich machen soll. Hintergrund: Der Elektrolyt, der Anode und Kathode trennt, ist eine wichtige Ursache für die zurückgehende Reichweite im Winter. Denn konventionelle Elektrolyte sind flüssig, werden bei steigender Kälte jedoch zäh und verlangsamen damit den Elektronenfluss. Das schränkt die Kapazität des Akkus ein.
So hat CATL ein neues Elektrolyt entwickelt, das sich äußerst schnell – und damit unter geringem Energieeintrag - aufheizen lässt. Das einem Akku selbst bei -20 Grad Außentemperatur zu einer um 50 Prozent höhere Kapazität verhelfen, als es heute möglich ist. Selbst in optimalen Temperaturen ist die Energiedichte noch 43 Prozent höher als bei konventioneller Technologie. Details nennt der Hersteller noch nicht.
Natrium-Ionen-Akku mit Lithium-Ersatzstoff
Einen großen Entwicklungssprung verspricht sich CATL auch durch einen Natrium-Ionen-Akku. Die Technik basiert auf Natrium, die Anode des Akkus besteht nur aus Kohlenstoff. Auf teure und seltene Rohstoffe wie Lithium, Kobalt, Kupfer und Nickel kann verzichtet werden.
Natrium ist sehr viel häufiger vorhanden (unter anderem als Abfall beim Kalibergbau), leichter zu gewinnen und energieärmer zu verarbeiten, was der CO2-Bilanz zugutekommt. Die Kathode besteht aus Natrium, Mangan, Eisen, Kohlenstoff und Stickstoff. Ein solcher Akku wäre nachhaltiger, kostengünstiger, weniger brennbar, leistungsfähiger im Winter und besser schnellladefähig.
Beinahe unglaublich klingt, was die Sogang-Universität in Seoul (Südkorea) jüngst ankündigte: Wissenschaftler wollen die Grundlagen für einen Lithium-Polymer-Akku entwickelt haben, dessen Kapazität – und damit die Reichweite eines E-Autos – um das Zehnfache höher wäre als heute.
Ihr Ansatz ist eine Super-Anode, die beim Fahren (Entladung) gegenüber der Lithium-Kathode Strom abgibt. Statt wie bisher aus Graphit ist sie aus erheblich energiereicherem Silizium. Das hat den Nachteil, dass es sich beim Laden stark ausdehnt, was den Akku aufblähen lässt und Schäden verursachen kann. Dieses Problem lösten die Koreaner durch ein neuartiges Elektrolyt, dass sich dem oszillierenden Silizium anpasst, so dass der Akku sein Volumen behält. Wann ein solcher Akkutyp serienreif sein könnte, ist nicht bekannt.
Zuletzt hat das britische Startup Nyobolt einen neuartigen Akku präsentiert, dessen Lade-Tempo aufmerksam macht. In nur sechs Minuten wird Energie für 250 Kilometer Reichweite getankt. Das lässt Elektroautos auf den Stand von Verbrennern springen, tanken geht kaum schneller. Das Geheimnis des Turbo-Laders liegt Nyobolt zufolge in Anoden aus den Elementen Niob und Wolfram. Der Akku-Prototyp hat eine Kapazität von 35 kWh, das entspricht in etwa dem großen Energiespeicher des Fiat 500e.
Der Prototyp für den Nyobolt-Akku wurde mittlerweile bei über 2000 Ladezyklen getestet, ohne dass es Schäden gab. Im Gegenteil weise der Akku keine nennenswerte zyklische Alterung auf. "Das ebnet den Weg für hocheffiziente und leichtgewichtige Elektrofahrzeuge", so Nyobolt. Bereits 2024 soll die Batterie in Produktion gehen.
Getestet und präsentiert wurde sie übrigens in einem Lotus Elise mit getunter Karosserie. Der Sportwagen wurde vom Designbüro Callum optisch überarbeitet. Der britische Autodesigner Ian Callum gründete die Firma 2019, nachdem er seine Tätigkeit als Chefdesigner von Jaguar eingestellt hatte. Zu Callums Projekten gehört unter anderem der Hybrid-Supersportwagen Jaguar C-X75, ein Konzeptauto.
Weltweit wird an neuer Akku-Technologie für Elektroautos intensiv geforscht. Jetzt kündigt der chinesische Hersteller Greater Bay Technology eine Batterie an, deren Kapazität bei Kälte und Hitze nicht mehr sinkt. Das Problem der schrumpfenden Reichweite im Winter können Wärmepumpen nur teilweise lösen. Greater Bay Technology ist eine Tochterfirma des staatlichen Autobauers GAC.
Hintergrund: Durch die Verwendung so genannter Supraleiter kann die Batterie schadlos innerhalb von fünf Minuten von -20 auf +25 Grad aufgeheizt werden. Das ermöglicht sehr kurze Ladezeiten, teilt Greater Bay mit. Angeblich ist es möglich, die leere Batterie in sechs Minuten bis auf 80 Prozent aufzuladen. Die Lebensdauer der Batterie soll zehn Jahre oder sage und schreibe 800.000 Kilometer betragen. Die Serienproduktion soll bereits im kommenden Jahr beginnen. Die Phoenix-Batterie soll erstmals in der chinesischen SUV-Baureihe GAC Aion zum Einsatz kommen.
Der chinesische Hersteller EVE hat neuartige Zellen mit bemerkenswertem Speichervermögen vorgestellt. Sie sollen ab 2025 in der neuen Elektroauto-Generation von BMW, der Neuen Klasse, installiert werden. Bei nur 20 Prozent höherem Gewicht gegenüber modernen Zellen von Tesla sollen die EVE-Zellen fast 50 Prozent mehr Energiedichte aufweisen. Das würde die Reichweite dieser neuen Elektroautos um etwa 40 Prozent erhöhen; damit wären sie mit modernen Verbrennern gleichauf. Kürzlich kündigte BMW-Entwicklungsvorstand Frank Weber an: "Die Ladegeschwindigkeit wird um bis zu 30 Prozent gesteigert und die Reichweite um bis zu 30 Prozent verbessert". Überdies sinke der CO₂-Ausstoß bei der Zellproduktion um bis zu 60 Prozent,
Die "Neue Klasse", die ab 2025 kommt (hier die China-Version) will BMW mit neuen Batterien ausstatten. Sie sollen 30 Prozent mehr Reichweite bringen.
Bild: facebook/CarSpyShots
Zum ersten Mal will BMW dabei runde Zellen verwenden anstelle der bisherigen Prisma-Zellen. Sie enthalten weniger Kobalt und mehr Nickel sowie Silizium als die bisher verwendeten Zellen. Zugleich spart BMW Bauteile: Die Batteriepacks werden direkt in den Unterboden der Karosserie eingebaut. BMW baut die neuen Zellen nicht selbst. Sie werden von Partnern gefertigt, die dafür sechs Fabriken mit einer jährlichen Kapazität von jeweils bis zu 20 Gigawattstunden (GWh) errichten: je zwei in Europa, in China und in Nordamerika.
Ganz frisch auf dem Markt von morgen: der Aluminium-Schwefel-Akku. Sein Vorteil ist insbesondere die Wirtschaftlichkeit, denn er kommt ohne teures Lithium aus – stattdessen werden Elektroden aus Schwefel und Aluminium verwendet, als Separator dazwischen dient flüssiges Chloraluminat-Salz. Das hat nebenbei den Vorteil, dass die Batterie im Falle einer Überhitzung nicht in Brand geraten kann.
Die Institution, die dem Forschungsprojekt den Rahmen gibt, flößt Vertrauen ein: Am renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat der emeritierte Professor für Materialforschung Donald Sadoway mit einem 15-köpfigen Team aus den USA, Kanada und China die erste Batterie dieser Art entwickelt, die bereits mehrere Hundert Ladezyklen überlebt. Moderne Li-Ionen-Akkus schaffen aber mehrere Tausend Zyklen.
Auch die Ladedauer ist laut dem Professor beeindruckend kurz: Sadoway spricht von einer (!) Minute, allerdings ohne die Größe des Energiespeichers zu nennen. In seinem privaten Unternehmen Avanti soll die Erfindung zur Marktreife gebracht werden. Es bleibt weiter spannend.
Millionen von Elektroauto-Akkus werden in den nächsten Jahren gebaut; ihre Herstellung, Nutzung und Entsorgung auf bisherigem Weg würden die Umwelt belasten. Einen Schritt hin zu nachhaltigen Akkus weist eine wissenschaftliche Studie, die jetzt an der US-Universität Maryland veröffentlicht wurde. Sie schlägt vor, als Elektrolyt zukünftig Chitin anstelle von Kunststoffen zu verwenden. Das Elektrolyt innerhalb der Batterie ermöglicht den Ionenfluss zwischen Anode und Kathode.
Chitin ist bekannt als Bestandteil der Schale von Insekten und Krustentieren. Es steht also als nachwachsender Rohstoff aus Fischabfällen in großen Mengen zur Verfügung und ist biologisch abbaubar. Es wird bereits in Medikamenten, Düngemitteln und zum Beispiel auch als essbare Schutzfolie auf Lebensmitteln verwendet.
Das tierische Elektrolyt ist Teil einer Batterie-Skizze der Wissenschaftler, die ein Konzept zeigt, das auf Nachhaltigkeit getrimmt ist. Dazu gehören Elektroden aus Zink. Das Metall hat ähnliche Eigenschaften wie Lithium, ist aber wesentlich verbreiteter und daher billiger.
Die SALD-Batterie (Spatial Atom Layer Deposition) ist ein Konzept, bei dem die Komponenten der Batterie optimiert werden sollen. Also geht es hier um eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus, bei der die Zellen mit einer ultradünnen Atombeschichtung ummantelt werden, die die den Ionen-Fluss zwischen Anode sowie Kathode deutlich erleichtert und damit die Sicherheit und Langlebigkeit verbessert. Auch die oft zitierten 1000 Kilometer sollen so möglich sein, zudem ein deutlich schnelleres Laden.
Diese Entwicklung ordnet Maximilian Fichtner, Professor für Feststoffchemie, so ein: "Ich halte das für eine technische Lösung, die möglicherweise sinnvoll für Kleinstbatterien ist, da es dort nicht so sehr auf die Kosten ankommt. Im Automobilbereich kann ich mir solche Batterien nicht vorstellen."
Innovationen in der Elektrochemie dauern ihre Zeit, daher ist der "Wunderakku" nicht in ein paar Tagen zu erwarten.
Bild: Christoph Busse
Mit schnelleren Ladezeiten, einer höheren Energiedichte und mehr Leistung bietet die Feststoffzellenbatterie ähnliche Vorteile wie das SALD-Verfahren. Dass diese Akkus kommen werden, gilt als gesetzt. Dadurch, dass die Ladung nicht mehr durch ein flüssiges, sondern ein festes Elektrolyt transportiert wird und der Minuspol, der bisher aus Grafit besteht, durch reines, metallisches Lithium zu ersetzen, könnten die Batterien leichter werden und laut Maximilian Fichtner etwa 30 bis 40 Prozent mehr Reichweite bringen. So weit, so gut.
Allerdings bilden sich bei den bisherigen Lithium-Ionen-Batterien beim Be- und Entladen nach und nach kleine Metallnadeln auf dem Lithium. Sie werden Dendrite genannt und können im schlimmsten Fall zu einem Kurzschluss der Batterie führen. Um das zu verhindern, ersetzt man bei der Festkörperbatterie das flüssige Elektrolyt zwischen den Elektroden durch eine dünne Keramikschicht. Die ist nicht brennbar, leitet aber die Lithium-Ionen und bildet zudem eine mechanische Barriere gegen die erwähnten Metallnadeln.
"Die Schwierigkeit ist, das so zu fertigen, dass die Anordnung über lange Zeit stabil ist und die vielen kleinen Kontaktflächen der verschiedenen Festkörper beim Be- und Entladen nicht abreißen", umreißt Maximilian Fichtner die Problemstellung.
BMW, Mercedes und VW investieren Milliardenbeträge in diese neue Technologie. Auch der chinesische Autobauer Nio hat für seine Elektrolimousine ET7, die dieses Jahr auf den Markt kommen soll, eine Feststoffbatterie und große Reichweiten angekündigt. Allerdings soll diese Batterie erst 2024 verfügbar sein. Bei anderen Herstellern werden die Feststoffzellen schon gar nicht von heute auf morgen in die Serienmodelle kommen.
Mercedes tüftelt schon länger an diesen Zellen, hat aber erkannt, dass es nicht so schnell vorangeht wie ursprünglich gedacht. Vor allem bei der Energiedichte und der Ladegeschwindigkeit ist noch ein bisschen was zu tun. BMW teilt offenbar diese Einschätzung – und will erst Ende des Jahrzehnts den ersten Serien-Pkw mit Feststoffzellenbatterien auf den Markt bringen.
Zunächst kommen die Feststoffzellen-Akkus in Bussen zum Einsatz. Der chinesische Batteriezellenproduzent CATL (Contemporary Amperex Technology) hat im vergangenen Jahr eine Natrium-Ionen-Batterie für das Jahr 2023 angekündigt. Der Akkus kommt ohne Lithium, Nickel und Kobalt aus. Damit ist er um einiges nachhaltiger als Li-Ionen-Akkus. Außerdem soll er schneller aufladbar sein und weniger unter Minusgraden leiden.
Der Natrium-Ionen-Akku soll 2023 marktfähig sein. Er kommt ohne Lithium, Nickel und Kobalt aus.
Bild: CATL
Eine weiteres Batteriekonzept ist der Zwei-Millionen-Meilen-Akku des Tesla-Forschers Jeff Dahn. Er stellte unlängst bei einer Online-Konferenz des Batteriesoftware-Analyse-Unternehmens Twaice einen Zwischenbericht seiner Arbeit vor. Ziel sei es weiterhin, eine Batterie zu entwerfen, die 1,6 Millionen Kilometer durchhält, ohne nennenswert an Leistungsfähigkeit zu verlieren.
Der US-Forscher hatte bereits im Oktober 2020 eine neue Zelle vorgestellt, die rund 10.000 Ladezyklen verkraftet. Bei einem E-Auto mit einer Reichweite von 350 Kilometer entspräche diese Lebensdauer einer Fahrleistung von mehr als drei Millionen Kilometern. Aktuelle Elektroautos schaffen 2500 Ladezyklen, danach ist die Kapazität auf rund 70 bis 80 Prozent geschrumpft.
Bislang ist das nur der Stand der Forschung, bis zu einer Massenproduktion dürfte es noch mehrere Jahre dauern. Bis dahin entwickeln die Hersteller die Lithium-Ionen-Batterie weiter, etwa bei Tesla in Grünheide (Brandenburg) und bei StoreDot. Das Start-up aus Israel arbeitet an siliziumdominierten XFC-Lithium-Ionen-Akkus, die 160 Kilometer Reichweite in fünf Minuten ermöglichen sollen. Tests in produktionsfähigem Format verliefen bereits erfolgreich, 2024 soll die Batterietechnologie für "extremes Schnellladen" auf den Markt kommen.
Die Great-Wall-Motors-Tochter SVOLT (aus China) und General Motors (GM) sind ebenfalls an einer kobaltfreien E-Auto-Batterie dran. US-Forscher glauben zudem, den Durchbruch bei der Suche nach mehr Reichweite gefunden zu haben, indem sie mit einer neuartigen Elektrolyt-Mischung die Dendriten-Bildung eindämmen.
All diese Entwicklungen für Marathon-Akkus ordnet Chemieprofessor Fichtner so ein: "Aus meiner Sicht sind das keine 'Wunder-Akkus', sondern technische Entwicklungen, die hier und da einen technischen Fortschritt versprechen". Immerhin: Akkus mit großer Kapazität können problemlos als Energiespeicher verwendet werden und lösen bei intelligenter Vernetzung zugleich Lade- und Energieprobleme.
Für Fichtner gehören die neuen Batterien zu den "aufregendsten Neuentwicklungen zurzeit. Man hat hier die Perspektive, recht leistungsfähige Batterien auf einer nachhaltigen Materialbasis zu bauen. Ich denke, das System wird eine große Zukunft haben und es kann eine große Entlastung bringen für die angespannte Rohstoffsituation im Lithium-Markt. Vor ein paar Jahren wurde das noch als Spielerei und exotisch abgetan. Mittlerweile sind die Zellen marktreif."
Professor Maximilian Fichtner ist Experte für Feststoffchemie am Helmholtz-Institut Ulm.
Bild: Fritz Beck
Eine Durchbruch-Meldung jagt die nächste. Doch den Beweis auf der Straße sind die allermeisten Forscher und Entwickler bislang schuldig geblieben, die Entwicklung des Superakkus geht nur schrittweise voran. Es wird also noch etwas Zeit ins Land gehen, bevor das eine oder andere Akku-Wunder Realität wird. Spätestens Ende 2023 wird sich zeigen, ob die vollmundige Ankündigung von CATL mit Laden für 400 km in zehn Minuten wie versprochen Realität wird.
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