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Neue Akku-Technologien: Reichweite für Elektroautos "bald 1000 Kilometer" und mehr

06.05.2021 | 13:28 Uhr | Peter Müller

Für kurze bis mittlere Strecken ist das E-Auto schon heute geeigneter als Verbrenner. Für die Langstrecke sind Lösungen in Sicht.

Eine elektrische Reichweite von 200 bis 300 Kilometern ist für den Einsatz als Stadtfahrzeug völlig ausreichend, schon jetzt müssen Elektrofahrzeuge nicht jeden Abend an die Steckdose und vor allem nicht gleichzeitig. Warum sich die umweltfreundlichere Alternative zum Verbrennungsmotor hierzulande noch nicht so recht durchsetzt, hat vermutlich zwei Gründe. Es fehlt noch an Schnellladeinfrastrukturen und vor allem an Reichweite. Wer es gewohnt ist, nur alle 600 bis 700 Kilometer in wenigen Minuten einen Tank mit Diesel und Benzin füllen zu können für eine weitere Strecke dieser Größenordnung, will nicht alle 250 Kilometer nach einer passenden Ladesäule Ausschau halten müssen.

Gerade aber die Akku-Technologie macht Fortschritte, wie Professor Maximilian Fichtner in einem auf der Website des Volkswagen-Konzerns veröffentlichten Interview erklärt. Reichweiten von 500 Kilometern und sogar bis zu 1000 Kilometern seien schon bald möglich, soziale und Umweltfragen – Stichwort Rohstoffgewinnung – dank neuer Materialien unter Umständen nicht mehr so relevant. Fichtner, Professor für Festkörperchemie an der Universität Ulm und stellvertretender Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU), erwartet sich auf gleich zwei Gebieten bedeutende Verbesserungen. So sei für Anoden ein Komposit aus Silizium und Graphit weit effektiver als das bisher verwendete Graphit. Der Energiegehalt der Batterie würde wegen der höheren Speicherdichte deutlich ansteigen können.

Doch könne sich auch in der Batterie-Architektur etwas ändern – bisher bestünden nur 25 bis 30 Prozent der Akkus aus dem eigentlichen Speichermaterial, dieser Anteil könnte verdoppelt werden. Eine Festkörperbatterie, bei der metallisches Lithium am Minuspol das Graphit ersetzen könnte, sieht Fichtner noch nicht bald realisierbar, vor allem die industrielle Fertigung mache Probleme.

Sald nicht vor 2023

Eine Technologie, die der Experte zwar im Interview zwar nicht explizit angesprochen, aber vermutlich gemeint hat, will das niederländische Startup Sald B.V. mit Hilfe des Forschungsinstituts "The Netherlands Organisation" deutscher Fraunhoferinstitute bis 2023 marktreif bekommen. Das Akronym SALD steht für "Spatial Atom Layer Deposition" und kommt aus der Halbleitertechnik. Die eigentlichen Speicherschichten will das Unternehmen so dünn bekommen haben, dass sie kaum mehr als einen Atomdurchmesser dick sind. Übereinander angeordnet, könnten sie so die Energiedichte erheblich erhöhen – bei Akkus würden sich die Prozesse vor allem an der Oberfläche abspielen. Also vergrößert man die nutzbare Oberfläche und benötigt entweder weniger Material oder kommt zu höherer Speicherfähigkeit. Sald verspricht mit seiner Technologie auch weit kürzere Ladezeiten, in zehn Minuten bekäme man den Akku zu 80 Prozent voll, in 20 Minuten könne er vollständig geladen sein. Reichweiten von 1000 Kilometern oder sogar 2000 Kilometern seien damit zu erzielen. Bisher konnte Sald aber nur eine Kleinserienfertigung aufziehen. Nebeneffekt der Technologie: Smartphones oder Smartwatches, die man eine Woche lang nicht laden müsste, seien damit ebenso denkbar.

Offene Fragen bei der Infrastruktur – und bei der Umwelt

Im PKW-Bereich habe das Elektroauto schon heute laut Prof. Fichtner die "beste Klimabilanz aller Antriebsarten", auf der Kostenseite sei eine "magische Grenze" nach unten durchbrochen. Dank nachhaltigem Material wie Lithium-Eisenphosphat für die Kathode koste die Kilowattstunde Strom in der Batterie weniger als 100 US-Dollar. Kritisch sei die fehlende Infrastruktur, vor allem für Schnellladestationen. Solange die eigene Wallbox mehr oder minder Voraussetzung für die Anschaffung eines Elektroautos ist, wird dieses nicht attraktiver. Städte und Gemeinden müssten daher für E-Mobile mehr öffentliche Ladesäulen errichten.

Die für Akkus benötigten Rohstoffe werden häufig unter fragwürdigen Bedingungen abgebaut. Kobalt etwa aus von Warlords kontrollierten Minen im zentralen Afrika oder Lithium unter hohem Trinkwasserverbrauch aus Salzseen in Südamerika. Das seien aber womöglich lösbare Probleme der Elektromobilität, gibt sich Fichtner im Interview mit Volkswagen optimistisch. Anstatt Kobalt könnte man in Akkus Lithium-Eisenphosphat verwenden: "kostengünstig, nachhaltig verfügbar und ungiftig". Die Lithium-Vorräte würden deutlich länger reichen als die des Kobalts, zur Gewinnung als Salzseen gäbe es Alternativen. So betreibt etwa der Energiekonzern EnBW in Bruchsal eine Pilotanlage , die Lithium aus Sole extrahiert, die in einem Geothermiekraftwerk anfällt. Der weltgrößte Lithium-Exporteur ist Australien, dort wird das Leichtmetall aus Erz im Bergwerk geschürft.

Was ist mit Graphen?

An Lithium geht als Kathodenmaterial noch nichts vorbei, vor allem ist die Technologie wirtschaftlich. Graphen könnte sich aber als künftige Alternative anbieten, Akkus aus diesem Material, die elektrische Energie chemisch speichern, versprechen nicht nur höhere Speicherdichten, sondern lassen sich schneller aufladen und produzieren dabei keine Abwärme. Wesentlich unkomplizierter als eine Batterie wäre aber ein Kondensator, der die Energie elektrostatisch speichert. Bisherige Lösungen sind aber noch weit von der Leistungsfähigkeit von Nickelmetallhybrid-Akkus (NiMH) entfernt, geschweige denn von Lithium-Ionen-Batterien. Ende 2020 konnten aber Forscher der US-Firmen Nanotek Instruments und Angstron Materials gemeinsam mit Wissenschaftlern der chinesischen Dalian University of Technology einen Superkondensator mit Graphenelektroden entwickeln , der bei Raumtermperatur eine Energiedichte von 85,6 Wh/kg bereitstellt – was in der Größenordnung von NiMH liegt. Ein solcher Kondensator lässt sich in Sekunden oder Minuten aufladen, da keine Redoxreaktion stattfinden muss.

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