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Die wichtigste Entwicklung bei Akkus für Elektroautos sei nicht die Verbesserung der Leistung, sagt der Batterie-Experte.
Die wichtigste Entwicklung bei Akkus für Elektroautos sei nicht die Verbesserung der Leistung, sagt der Batterie-Experte.(Foto: picture alliance / dpa)

Zäher Fortschritt in der Forschung: Traum vom Super-Akku droht zu platzen

So richtig kommt die Entwicklung von Akkus für Elektrofahrzeuge nicht in Gang. Mit n-tv.de spricht der deutsche Batterie-Experte Dirk Uwe Sauer über den ernüchternde Suche nach leistungsfähigeren Batterien. Und über eine andere Entwicklung, die Hoffnung macht.

Den Elektroautos gehört die Zukunft, heißt es. Aber kaum einer will sich eins zulegen. Die Bundesregierung erwähnt ihr ursprüngliches Ziel von einer Million E-Autos bis 2020 nicht mehr - auf Deutschlands Straßen sind Anfang 2015 gerade mal rund 19.000 Elektrofahrzeuge und etwa sechsmal so viele Hybridfahrzeuge unterwegs. Die größten Schwierigkeiten für die E-Mobilität sind der noch vergleichsweise hohe Preis und die geringen Reichweiten der Fahrzeuge. Dabei wird seit Jahren intensiv an besseren und leistungsfähigeren Akkus geforscht. Der große Durchbruch auf diesem Gebiet blieb bislang jedoch aus. Wir fragen Batterie-Forscher Dirk Uwe Sauer, was die Gründe dafür sind, welche Entwicklungen Hoffnung machen und welche Perspektiven Akkus der nächsten Generation bieten.

n-tv.de: Beim Stand der Akku-Entwicklung für Elektroautos hat man den Eindruck: Es wird geforscht und geforscht, aber so richtig scheint sich die Leistungsfähigkeit der Akkus nicht zu verbessern. Die heute erhältlichen Klein- und Kompaktfahrzeuge wie der BMW i3 haben immer noch Reichweiten von lediglich 150 bis 200 Kilometer. Warum ist das so?

Dirk Uwe Sauer ist  Leiter des Instituts für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe an der RWTH Aachen.
Dirk Uwe Sauer ist Leiter des Instituts für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe an der RWTH Aachen.

Dirk Uwe Sauer: Es gibt bei der Entwicklung von Akkus in der Tat keine großen Sprünge. Vielmehr ist es eine evolutionäre Weiterentwicklung bestehender Technik. Anders als zum Beispiel bei Speicherchips in der Elektronikindustrie kann bei Akkus nicht alle 18 Monate die Energiedichte verdoppelt werden. Denn es gibt physikalische und chemische Grenzen: Jedes Elektron, das gespeichert werden muss, braucht ein Atom oder ein Molekül, an das es gebunden werden kann. Aber jedes Atom kann nur eine maximale Zahl von Elektronen aufnehmen. Daraus ergibt sich eine maximal speicherbare Energiemenge für einen Akku. Tesla und andere Beispiele zeigen aber, dass auch Elektrofahrzeuge mit großen Reichweiten möglich sind. Die Reichweite in Fahrzeugen zu erreichen ist primär kein technisches Problem, sondern ein wirtschaftliches.

Zwischenzeitlich konnte man den Eindruck bekommen, dass es bereits einen "Durchbruch" nach dem anderen bei der Akku-Forschung gegeben hat!?

Es gibt immer wieder Meldungen in der Presse, lanciert natürlich von den entsprechenden Firmen, die den großen Durchbruch bei der Ladetechnik, der Energiedichte oder einem anderen Aspekt der Batterie erreicht haben wollen. Man muss dabei jedoch bedenken: Gesprochen wird dann oft nur von einem Parameter des Akkus, der optimiert wurde -  insgesamt ist es aber die Vielzahl der gerade diskutierten Parameter, die eine Batterie erfüllen muss. Es ist zwar toll, wenn man an einer Stelle einen großen Fortschritt macht. Aber wenn die anderen fünf Parameter dann einbrechen, oder auch nur einer davon, wird es halt kein Produkt.

Zunächst einmal zum von Ihnen erwähnten technischen Aspekt bei de Akku-Entwicklung: Wenn es eine physikalische Obergrenze der Leistungsfähigkeit von Akkus gibt – wie viel Luft ist vom heutigen Stand der Entwicklung noch nach oben?

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Die besten Batteriezellen für Smartphones und Laptops erreichen heute eine Energiedichte von etwa 250 Wattstunden pro Kilogramm. Die von den meisten europäischen Fahrzeugherstellern eingesetzten Batterien haben wegen höherer Sicherheits- und Lebensdaueranforderungen typische Energiedichten um 160 bis 180 Wattstunden pro Kilogramm. Durch Weiterentwicklung der heutigen Lithium-Ionen-Technologie scheinen Energiedichten bis etwa 300 Wattstunden pro Kilogramm erreichbar zu sein.

Die Lithium-Ion-Akkus stoßen also langsam an ihren Grenzen. Welche Perspektiven gibt es für Akkus, die mit anderen Materialien arbeiten?

Wenn man über die Energiedichte von 300 Kilowattstunden pro Kilogramm hinaus will, dann muss man zur nächsten Generation der Batterien kommen. Da gibt es zwei große Entwicklungslinien. Das eine sind sogenannte Lithium-Schwefel-Akkus und das andere wären Lithium-Luft-Akkus...

...wobei Letztere schon länger als künftige Wunder-Akkus gehandelt wurden. Mittlerweile bezeichnen einige Forscher Lithium-Luft-Akkus jedoch als "hoffnungslosen Fall", da sich zu viele Probleme auftun. Woran liegt das?

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Ich habe auch nicht gesagt, dass das schnell machbar ist (lacht). Aber generell gilt für diese Akkus, dass man tatsächlich ein hohes theoretisches Potenzial hat, was die Energiedichte angeht. Man könnte mit diesen theoretisch eine etwa dreimal höhere Energiedichte erreichen als bisherige Systeme, also 700 bis 900 Wattstunden pro Kilogramm. Ob diese Zelle dann tatsächlich auch mit einer Lebensdauer von tausend Zyklen hergestellt werden kann, ist fraglich. Eine wichtige andere Frage: Kann die Sicherheit sehr leistungsfähiger Akkus gewährleistet werden? Das gilt für die Lithium-Schwefel-Akkus im Übrigen genauso. Denn je größer die Energiedichte ist, desto größer ist das potenzielle Risiko - etwa, dass ein Akku ausbrennt. Von daher müssen die Batterieentwickler mehr im Auge haben als nur Energiedichte und Preis. Leistungsfähigkeit auch bei tiefen Temperaturen, Sicherheit und Lebensdauer sind gleichberechtigte Ziele. Jeder Parameter für sich muss die Mindestanforderungen erfüllen. Das macht das Ganze so kompliziert und führt eben auch dazu, dass es keine Sprünge in der Entwicklung gibt.

Haben diese Akkus der nächsten Generation aufgrund ihrer hohen Energiedichte das Potenzial, der Elektromobilität zum Durchbruch zu verhelfen – vorausgesetzt, die Sicherheitsbedenken können behoben werden?

Bei den Lithium-Luft-Akkus etwa gibt es neben der Lebensdauer und der Sicherheit noch ein weiteres Problem: Nach heutiger Einschätzung denkt man zwar, dass man mit ihm zwar die gravimetrische - also die gewichtsbezogene - Energiedichte deutlich verbessern kann. In der Automobilindustrie ist allerdings die volumetrische - also volumenbezogene - Energiedichte von mindestens ähnlich hoher Bedeutung. Denn Volumen bedeutet Raumverlust im Fahrzeug. Und jeder Hersteller kämpft darum, jeden möglichen Raum im Fahrzeug dem Benutzer zur Verfügung zu stellen.

Was bedeutet das für die Einsetzbarkeit von Lithium-Luft-Akkus?

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Schätzungsweise wird die volumetrische Energiedichte der Lithium-Luft-Akkus wahrscheinlich gar nicht besser sein als bei Lithium-Ion-Akkus, wenn deren Entwicklungspotential ausgereizt ist. Und das ist auch ein Grund, warum Automobilhersteller da sehr viel zurückhaltender geworden sind. Es geht derzeit keiner davon aus, dass diese Technologie vor 2025 oder 2030 irgendeine Chance hat, auf den Markt zu kommen.

Bietet der Schwefel-Lithium-Akku bessere Aussichten, eine leistungsfähigere Alternative zum heute gebräuchlichen, aber in seiner Leistung begrenzten Lithium-Ion-Akku zu werden?

Bei dem Lithium-Schwefel-Akku ist die Entwicklung wesentlich näher an kommerziellen Produkten, als dies für Lithium-Luft-Batterien gilt. Es gibt auch bereits Hersteller, die Lithium-Schwefel-Batterien anbieten. Allerdings wird es bedingt durch die Art der elektrochemischen Reaktionen sehr schwer sein, die gleichen Lebensdauer wie bei den heutigen Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen. Auch die Frage der Sicherheit ist deutlich komplexer als bei Lithium-Ionen-Batterien. Es gibt aus der Wissenschaft durchaus Stimmen, die davon ausgehen, dass die Lithium-Ionen-Batterien mit ihren Weiterentwicklungen für sehr lange die Technologie der Wahl bleiben wird. Aber natürlich gibt es auch die optimistischen Stimmen, die von einer Markteinführung von Lithium-Schwefel-Batterien in Elektrofahrzeugen und gut 10 Jahren ausgehen.

Warum dauert das so lange?

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So ein komplexes elektro-chemisches System, kann man nicht am Computer am Reißbrett entwerfen. Da muss man sehr viel experimentieren. Bis man wirklich sicher sein kann, dass so eine Batterie im Auto auch zehn Jahre hält – das dauert. Wenn wir etwa eine neue Zelltechnologie auf den Tisch bekommen, dauert es mindestens ein Jahr, bis wir annähernd verlässliche Aussagen darüber machen können, wie lange so eine Batterie leben wird. Diese Entwicklungszyklen kann man nicht beliebig beschleunigen.  

Wenn das Erreichen höherer Energiedichten zumindest unsicher ist – hat die Elektromobilität überhaupt eine Chance?

Ja. Denn das Hauptziel ist nicht die Energiedichte eines Akkus. Es ist der Preis pro Kilowattstunde. Und da sind die Fortschritte in den letzten Jahren dramatisch schneller als noch vor drei Jahren erwartet.

Das ist der wirtschaftliche Aspekt, den Sie angesprochen haben.

Richtig. Die Preise für Akkus sind massiv runter gegangen. Die großen Automobilhersteller zahlen im Ankauf der Batterien für künftige Kontrakte schätzungsweise – genau wissen wir das nicht, weil das keiner offenlegt – wahrscheinlich um die 170 Euro pro Kilowattstunde Batteriekapazität. Zum Vergleich: Vor drei Jahren wurde für das Jahr 2020 noch ein Preis von 200 Euro pro Kilowattstunde vorausgesagt. Das heißt, bereits fünf Jahre vorher sind Batterien bereits deutlich günstiger.

Woran liegt das?

Ehrlich gesagt, wissen wir das nicht genau. Ein wesentlicher Teil ist dem Marktgeschehen geschuldet. Vor allem die koreanischen Batteriezellenhersteller - und in deren Gefolge dann auch die japanischen -  haben eine sehr aggressive Preispolitik verfolgt. Sie haben hohe Fertigungskapazitäten aufgebaut mit dem Ziel, schnell ein Produkt liefern zu können, von dem sie glauben, dass es eine große Zukunft hat. Ich denke, dass sie die Zellen zu einem Preis verkaufen, an dem sie im Moment zumindest nicht wirklich viel verdienen. Aber es ermöglicht ihren Kunden, also den Automobilherstellern, Produkte zu einem Preis anzubieten, den die Endverbraucher auch bezahlen können. Dann kommen sicherlich auch materialtechnische Entwicklungen dazu: Man versucht zum einen, die eher teureren Materialien wie Kobalt in der Menge zu reduzieren. Zum anderen verbilligen sich die Akkus auch durch die Erhöhung der Energiedichten, denn damit sinken automatisch auch die Preise, denn höhere Energiedichten bedeutet ja auch, dass weniger Materialeinsatz pro verkaufte Kilowattstunde notwendig ist.

Glauben Sie also an die Zukunft des Akkus in der Mobilität?

Was wären denn die Alternativen dazu? Man merkt einfach, dass diese extrem begrenzt sind. Von daher werden wir um Akkus nicht drum rumkommen. Und wir werden sehr gut damit leben können.

Mit Dirk Uwe Sauer sprach Kai Stoppel

Quelle: n-tv.de

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