Blick in die Glaskugel

Denn ohne Voltas Erfindung könnte sich heute auch ein Elektroauto nicht fortbewegen. Die Batterieentwicklung für E-Fahrzeuge steht allerdings noch im Anfangsstadium. Zwar sind die Zeiten von Blei-Säure-Akkus mittlerweile passé, aber auch die heutige Lithium-Ionen-Technik bereitet den Forschern und Wissenschaftlern noch Kopfzerbrechen. Sie arbeiten mit Hochdruck an der Weiterentwicklung der Akkus. Nicht zuletzt auch die Bundesregierung fördert die Elektromobilität mit Nachdruck. Vor allem die geringe Reichweite und der Preis der E-Mobile sind für viele Flotten (noch) ein Ausschlusskriterium. Flottenmanagement wirft einen Blick auf den aktuellen Stand der Batterieforschung und wagt einen Ausblick.

Status quo
Derzeit sind die Batterien samt der Leistungselektronik (sie verwandelt den Gleichstrom der Batterie in dreiphasigen Wechselstrom) für Elektroautos noch verhältnismäßig groß, dementsprechend schwer und vor allem teuer. Genau diese Punkte werden von den Forschern, neben einer Erhöhung der Energiedichte, angegangen (siehe Interview Seite 81 mit Professor Fichtner).

Das Leichtmetall Lithium gilt für Batterien als das Element mit den besten elektrochemischen Eigenschaften und ist daher Grundsubstanz der Kathode. Hieran wird sich auch in nächster Zeit nicht viel ändern, denn im Periodensystem besitzt es von allen Elementen das größte negative Potenzial. Neben der sich daraus ergebenden hohen Spannungsmöglichkeit liegt ein weiterer Vorteil im geringen Gewicht. Denn ein Lithiumatom ist nach dem Wasserstoff- und Heliumatom das Drittleichteste.

Die Varianten, mit denen man Lithium verbinden kann, sind noch längst nicht allesamt in Form und Zusammensetzung erforscht. Mehr als 300 solcher Materialverbindungen sollen bei der Produktion der Lithium-Ionen-Batterien möglich sein. „Die Energiespeicher unterscheiden sich durch die Kombination ihrer Materialien. Sie arbeiten mit festen, flüssigen oder gelförmigen Stoffen, ihre Elektroden können unterschiedlich geformt oder beschichtet sein und ihr geometrischer Aufbau variiert“, erläutert Dr. Jens Tübke vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal bei Karlsruhe.

Was spricht gegen Lithium-Ionen-Batterien? Vor allem der hohe Preis, der sich im vier- beziehungsweise niedrigen fünfstelligen Bereich befindet. Experten gehen jedoch davon aus, dass die Preise aufgrund der technischen Weiterentwicklung fallen werden.

 

 

„Die Entwicklung verläuft manchmal unvorhergesehen und sprunghaft“

Flottenmanagement sprach mit Prof. Dr. Maximilian Fichtner über die Entwicklungen und Ansätze in der Batterieforschung im Hinblick auf Elektromobilität. Der Vice Executive Director & Head of Department Materials-I am Helmholtz- Institut Ulm (HIU) und Group Leader „Energy Storage“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) forscht mit seinem Team seit mehreren Jahren rund um das Thema Batterie beziehungsweise Akkumulatoren und erläutert seine Einschätzungen im Interview.

Flottenmanagement: Prof. Dr. Fichtner, die Batterieforschung schreitet stetig voran. Wo liegen noch die größten Entwicklungspotenziale bei einem Akku in einem Elektroauto

Maximilian Fichtner: Zunächst sollten wir vielleicht festhalten, dass in den letzten Jahren bereits deutliche Fortschritte in Richtung Kostensenkung erreicht wurden. Wir haben in einigen Bereichen bereits jetzt die ursprünglich für 2020 gesetzten Ziele erreicht.

Fortschritte bei der Speichertechnik könnten beispielsweise erzielt werden, wenn es gelingt, die bisherigen Materialien zyklenfester zu machen. So liegt die nominale Energiedichte der Batterie eines Opel Ampera bei 86 Wh/kg, obwohl das verwendete Speichermaterial eigentlich weitaus bessere Werte liefern könnte. Dies ist unter anderem dadurch bedingt, dass das Material aus Gründen der Lebensdauer nur in einem Fenster von 50 Prozent be- und entladen wird. Batterien mit stabileren Materialien könnten durch höhere Nutzungsgrade entsprechend höhere Energiedichten ermöglichen – man würde mit kleineren Batterien auskommen oder hätte größere Reichweiten zur Verfügung. Daneben gibt es eine Reihe von neuen Speichermaterialien, die höhere Energiedichten versprechen, diese befinden sich aber noch in der Erprobung und es ist zu früh, hier optimistisch oder pessimistisch zu sein.

Flottenmanagement: Das im März in Genf vorgestellte E-Modell Quant F soll über eine Reichweite von 800 Kilometern verfügen und mithilfe einer Flussbatterie angetrieben werden. Halten Sie diese Speichermethodik für praxistauglich

Maximilian Fichtner: Nach den Informationen der Nanoflowcell AG benötigt das System einen Flüssigkeitstank von zweimal 250 Litern, um eine derartige Reichweite zu ermöglichen. Falls man, wie berichtet, beim Quant F eine Lösung mit ionischen Flüssigkeiten anstrebt (mit denen möglicherweise höhere Metallkonzentrationen und bessere Leitfähigkeiten erreicht werden), stellt sich mir sofort die Kostenfrage: Ein Liter eines solchen Lösungsmittels, das aus komplizierten organischen Verbindungen besteht, kostet derzeit teilweise deutlich über 1.000 Euro. Auch wenn man mit nur 100 Liter Tankvolumen auskommen könnte, wäre das ein Ausschlusskriterium – außer für teure Supersportwagen, bei denen der Preis nur eine untergeordnete Rolle spielt. Ich bin weit davon entfernt, revolutionäre Neuentwicklungen kritisieren zu wollen, aber erstens haben wir das System noch nicht in einem Praxistest gesehen und zweitens scheint mir das Kostenproblem zumindest nicht in Sichtweite lösbar. Aber auch wenn der Konverter alle Leistungsparameter treu und auf Dauer erfüllen sollte, gibt noch eine Reihe weiterer grundsätzlich zu klärender Fragen, wenn man auf dieses Speicherkonzept setzen möchte. Das Kostenproblem scheint mir im Moment das Auffälligste zu sein, weitere Fragen könnten dann auftauchen, wenn das Fahrzeug mal getestet werden darf.

Flottenmanagement: Wo könnten wir bei den Parametern Reichweite und Ladedauer für Akkus in E-Autos in zehn Jahren, also 2025, stehen

Maximilian Fichtner: Das wird man sehr oft gefragt und es ist eigentlich nicht möglich, darauf eine belastbare Antwort zu geben. Die Entwicklung verläuft manchmal unvorhergesehen und sprunghaft – aber sie kann auch stagnieren, was wir nicht hoffen. Was die Ladegeschwindigkeit größerer Speicher angeht, so werden wir möglicherweise nicht die Tankgeschwindigkeiten von Benzinfahrzeugen erreichen. Dies ist ein grundsätzliches Problem. Beim Befüllen eines Benzintanks beladen wir diesen mit einer Energieleistung von einigen Megawatt (Energieinhalt des Benzins pro Zeit). Bei einem elektrischen Mittelklassefahrzeug mit großer Reichweite müssten wir die Batterie an einer Ladestation mit elektrischen Leistungen von mehr als 100 kW beladen, um Ähnliches zu erreichen. Das halte ich aus verschiedenen Gründen für schwer realisierbar.

Was die Reichweite angeht, wird es sehr auf die nächsten fünf Jahre ankommen, in denen sich entscheiden wird, ob die derzeit untersuchten Konzepte auf Anoden- und auf Kathodenseite eine Aussicht haben, bis 2025 in Serie zu gehen. Vielversprechende Meldungen, die Hoffnung auf eine Verdoppelung der Reichweite machen, gibt es einige. Allerdings wurden diese Ergebnisse mit kleinen Laborzellen erzielt und sind nicht einfach auf eine reale Batterie zu übertragen. Die Hürden im realen Betrieb werden bei den Materialtests im Labor in der Regel nicht ausreichend berücksichtigt, da zunächst viel grundlegendere Fragen geklärt werden müssen. Ich würde hier kritischen Optimismus empfeh-len. Fortschritte gibt es zweifellos und wir sollten auch in Zukunft offen sein und sowohl ungewöhnliche Ideen weiterverfolgen als auch die bekannten Konzepte weiter verbessern. Ich sehe dazu keine Alternative im Moment.