Akku-Entwicklung stößt an die Grenzen der Physik | Wissen & Umwelt | DW | 04.08.2016
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Wissen & Umwelt

Akku-Entwicklung stößt an die Grenzen der Physik

Die Leistungsfähigkeit heutiger Lithium-Ionen-Akkus lässt sich kaum noch steigern. Hoffnungen für Elektromobilität liegen jetzt auf sinkenden Preisen und Silicium-Luft-Super-Akkus, die aber noch nicht funktionieren.

Elektroautos sollen viele Umweltprobleme lösen: Würden sie mit Ökostrom geladen, wären sie praktisch emissionsfrei, wenn man von der aufwendigen Produktion absieht. Und leise elektrisch dahingleiten ist auch einfach angenehmer. Wären da nur nicht die ständigen Sorgen um den Ladezustand der Batterie. Denn ist die einmal leer und keine Ladestation in der Nähe, ist der Spaß vorbei. Dann hilft nur noch der Abschleppdienst. Der Knackpunkt bei Elektroautos ist und bleibt also die Batterie. Einige Fragen und Antworten dazu:

Was müssten Akkus leisten, damit Elektroautos sich durchsetzen können?

Sechs Aspekte sind für den Erfolg oder Misserfolg von batteriebetriebenen Autos entscheidend: Zuerst schauen viele auf die Energiedichte der Batterien, also wie viel Strom darin gespeichert werden kann, die Anzahl der Ladezyklen, die eine Batterie übersteht, bevor sie ihren Geist aufgibt und die Ladezeit - also wie lange ein Autofahrer warten muss, bevor er weiterfahren kann. Aber auch die Robustheit ist sehr wichtig - also die Frage, ob der Akku auch eine Reise zum Skifahren im Hochgebirge oder einen brennend heißen Sommer im August übersteht. Und natürlich ist auch die Frage, ob es genug Ladestationen gibt, für eine Kaufentscheidung wichtig, sowie der Anschaffungspreis für Akkus.

Elektro-Linienbusse in Berlin (Foto: Picture-alliance/dpa/ S. Pilick)

Ein Elektro-Stadtbus in Berlin. Busse fahren immer feste Strecken und Ladezeiten sind planbar.

Wie weit komme ich mit einem batteriegetriebenen Fahrzeug?

Die derzeit auf dem Markt befindlichen, rein batteriebetriebenen Kleinwagen haben Reichweiten von 150 bis knapp über 300 Kilometern. Grundsätzlich ließen sich diese Reichweiten auch vergrößern, würde man die Anzahl der mitgeführten Batterien verdoppeln oder verdreifachen. Doch erstens wäre das derzeit noch so teuer, dass die Autos unattraktiv würden, zweitens würden sie viel schwerer und müssten auch schwerer konstruiert werden, um die Last zu tragen. Das stünde aber im Widerspruch zum Ziel des Leichtbaus bei Elektrofahrzeugen. Daimler hat schon einen Elektro-Lastkraftwagen vorgestellt, der bis zu 200 Kilometer Reichweite hat. Da wiegt die Batterie alleine zweieinhalb Tonnen. Dafür sind aber die Motoren leichter als beim dieselgetriebenen LKW.

Welche Akkus beherrschen den Markt?

Moderne aufladbare Batterien, egal ob in Mobiltelefonen, Laptops oder Autos, sind fast ausschließlich Varianten sogenannter Lithium-Ionen-Akkus. Dabei handelt es sich um verschiedenste Akku-Typen, in denen das Alkali-Metall Lithium sowohl in den positiven und negativen Elektroden vorkommt, als auch in der Flüssigkeit - dem sogenannten Elektrolyt. Die negative Elektrode ist in der Regel aus Graphit. Je nachdem, welche Materialien sonst noch in der positiven Elektrode vorkommen, spricht man zum Beispiel von Lithium-Cobaltdioxid-Akkus, Lithium-Titanat-Akkus oder Lithium-Eisenphospat-Akkus. Eine besondere Rolle spielen Lithium-Polymer-Akkus. Dabei ist das Elektrolyt ein gelartiger Kunststoff. Diese Akkus sind derzeit am Markt die leistungsfähigsten, sie erreichen Energiedichten bis zu 260 Wattstunden pro Kilogramm. Andere Lithium-Ionen Akkus kommen maximal auf 140 bis 210.

Ladesäule für Elektroautos(Foto: Picture-alliance/dpa/ J. Wojtas)

Elektroautos müssen immer geladen werden, wenn sie gerade nicht fahren. Ein Memory-Effekt wäre verheerend.

Wie stehen Batterietypen im Vergleich da?

Lithium-Ionen-Akkus sind aufgrund des hohen Marktpreises von Lithium recht teuer. Dafür haben sie viele Vorteile im Vergleich zu früheren Batterietypen, den Akkus auf Nickel-Basis und den Blei-Akkus.

Auch sind Lithium-Ionen-Akkus schnellladefähig. Das heißt, ein Auto kann mit normalem Strom in etwa zwei bis drei Stunden wieder aufgeladen werden, an besonderen Schnellladestationen sogar innerhalb einer Stunde.

Ältere Akku-Typen haben diese Vorteile nicht, und sie können viel weniger Strom speichern: Nickel-Akkus erreichen eine Energiedichte von nur 40 bis 60 Wattstunden pro Kilogramm. Bleiakkus, etwa bekannt als herkömmliche Autobatterien, erreichen sogar nur eine Energiedichte von etwa 30 Wattstunden pro Kilogramm. Dafür sind sie viel billiger und halten auch viele Jahre.

Wie lange halten moderne Akkus?

Von älteren Akkus kennen viele noch den sogenannten Memory-Effekt. Der war vor allem bei Nickel-Akkus sehr ausgeprägt: Hatte man sein Gerät - etwa einen Akku-Schrauber oder einen Laptop - wieder aufgeladen, obwohl die Batterie vielleicht noch halbvoll war, ging die Speicherfähigkeit irreparabel drastisch zurück. Also musste der Strom vor jedem neuen Ladezyklus erst aufgebraucht werden. Das wäre bei Elektroautos verheerend, denn die sollten immer dann geladen werden, wenn sie gerade an einer passenden Parkmöglichkeit mit Anschluss stehen - und nicht, wenn die Batterie gerade schlapp macht.

Lithium-Ionen-Akkus haben diesen Memory-Effekt nicht mehr. Hersteller versprechen bis zu 10.000 Ladezyklen und 20 Jahre Haltbarkeit. Oft zeigt die Erfahrung von Nutzern aber etwas anderes - Laptop-Akkus sind meist schon nach fünf bis sieben Jahren ausgelutscht. Auch können externe Faktoren, wie extreme Temperaturen oder eine versehentliche Tiefenentladung oder Überladung einen Akku zerstören. Wichtig ist bei modernen Akkus eine präzise arbeitende Ladeelektronik.

Smart III-Batterie für Elektroautos (Foto: Picture-alliance/dpa/ A. Burgi)

Akkus für Elektroautos sollen nicht zu schwer werden. Sonst kann man das Ziel des Leichtbaus nicht erreichen.

Ist der Super-Akku eine Luftnummer?

Forscher am Forschungszentrum Jülich arbeiten an der Entwicklung von Silizium-Luft-Akkus. Die Idee von Luft-Akkus ist nicht ganz neu. So wurde auch schon an Lithium-Luft-Akkus geforscht, bei denen die positive Elektrode aus einem Kohlenstoffgitter im Nanomaßstab besteht. Die Elektrode selbst nimmt an dem elektrochemischen Prozess nicht teil, sondern dient nur als elektrischer Leiter, an dessen Oberfläche Sauerstoff reduziert wird.

Silizium-Luft-Akkus funktionieren nach dem selben Prinzip, haben aber den Vorteil, dass sie aus dem sehr kostengünstigen Silizium bestehen, dass in Form von Sand praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht und auch in der Halbleiterindustrie weit verbreitet ist.

Neben dem potentiell niedrigen Herstellungspreis sind auch die Leistungsdaten von Luft-Akkus auf den ersten Blick verlockend: Sie könnten Energiedichten erreichen, die um das drei- bis zehnfache über denen der heutigen Batterien liegen.

Aber marktreif ist die Entwicklung bei weitem noch nicht. Die größten Probleme liegen in der mangelnden Lebensdauer der Luft-Akkus. Sie liegt noch deutlich unter 1000 Ladezyklen. Hoffnung macht indes ein Experiment der Jülicher Forscher: Sie haben herausgefunden, dass die Langlebigkeit deutlich erhöht werden kann, wenn man das Elektrolyt in den Akkus durch ein Pumpsystem regelmäßig auffüllt. Aber auch damit wird die Haltbarkeit der heutigen Lithium-Ionen Batterien nicht einmal ansatzweise erreicht.

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