Batterien in Elektroautos: Aktueller Stand und Perspektiven

12.08.2016 - 00:00 Uhr von Christoph Mähler
12.08.2016

Sie ist das schwergewichtige Herzstück eines Elektroautos: Die Antriebsbatterie. Batterieexperten versprechen mehr Kapazität bei geringerem Gewicht, sinkende Preise und sparsamere Produktionsverfahren. Ist dieses Zukunftsszenario realistisch? Ein Überblick.

Fertigung von Hochvoltbatterien im BMW-Werk Dingolfing.
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Fertigung von Hochvoltbatterien im BMW-Werk Dingolfing.

 © BMW Group

Derzeit kommen in Elektroautos nahezu ausschließlich Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Batterien dieses Typs besitzen eine hohe Energiedichte, vertragen eine Vielzahl an Ladezyklen und weisen keinen nennenswerten Memory-Effekt auf. Soweit die Vorteile. Leider weist die aktuelle Generation von Batterien auch eine ganze Reihe von Nachteilen auf. Die offensichtlichsten sind ihr enormes Gewicht, der hohe Preis und eine noch nicht zufriedenstellende Ladekapazität. Nicht ganz so augenfällig ist die mit Rohstoffgewinnung und Produktion einhergehende hohe Umweltbelastung. Umweltfreundliche Recyclingverfahren sind zwar vorhanden, aber es mangelt noch an ausreichend Kapazitäten. Momentan ist die einschlägige Branche noch überwiegend mit dem Recycling ausgedienter Handy- und Laptop-Akkus ausgelastet.

Fassen wir kurz zusammen, welche Optimierungs-Ziele für die Batterietechnik der Zukunft realisiert werden müssen:

  • geringere Kosten
  • niedrigeres Gewicht
  • höhere Ladekapazität
  • geringere Umweltbelastung
  • genügend Recycling-Kapazitäten

Was sagt die Industrie dazu? Ein Blick in die Forschungs- und Entwicklungsabteilungen führender Batteriehersteller soll zeigen, mit welchen Ideen an der Batterie von morgen gearbeitet wird.

Batterien in Elektroautos: Die Kosten

Eine gute Nachricht vorweg: Die Preise von Batterien sinken deutlich schneller als erwartet. Entscheidender Faktor sind die Kosten pro Kilowattstunde. Prognosen der internationalen Energieagentur aus dem Jahr 2008 haben Kosten von 900 Euro pro Kilowattstunde für das Jahr 2010 vorausgesagt. Marktführende Hersteller von E-Autos konnten diesen Prognosewert um die Hälfte unterbieten. Auch die Batteriepreise von 2014 überraschten die Fachwelt: Die durchschnittlichen Kosten von 300 Euro pro Kilowattstunde waren von Fachjournalen erst für das Jahr 2020 vorausgesagt worden.

Diese Zahlen wurden in einer Studie vom Magazin Nature Climate Change veröffentlicht. Verantwortlich für die Studie sind Mans Nilsson und Björn Nykvist vom Stockholmer Environment Institute. Grundlage ihrer Analyse ist die Auswertung von 80 Veröffentlichungen, die nach 2007 zum Thema der Preisentwicklung von Lithium-Ionen-Akkus erschienenen sind. Demnach fallen die Preise von Batterien jährlich um 14 Prozent. Dieser Preistrend lässt sich durch steigende Verkaufszahlen von E-Autos und zunehmend optimierte Herstellungsverfahren erklären.

Den Autoren zufolge nähern sich insbesondere Marktführer wie Nissan und Tesla bei den Kosten schnell der sogenannten Schallmauer. Diese liegt bei etwa 130 Euro pro Kilowattstunde. Ab diesem Wert sind sich E-Autos und konventionell betriebene Autos preislich ebenbürtig.  

Das wiegen die E-Auto-Batterien

Entscheidender Faktor für das Gewicht eines Energiespeichers ist die sogenannte Energiedichte. Sie wird durch das Verhältnis von Wattstunden zur Masse definiert. Batterien in E-Autos besitzen derzeit eine durchschnittliche Energiedichte von 150 Wattstunden pro Kilogramm Gewicht (Wh/kg). Verglichen mit der Energiedichte von Benzin (12.800 Wh/kg) nimmt sich dieser Wert verschwindend gering aus. Daher ist es nicht möglich mit den derzeit produzierten E-Autos Reichweiten zu erzielen, die denen von Benzinern gleichkommen. Beispiel e-Golf: Trotz des stolzen Batteriegewichtes von 318 Kilogramm beträgt die maximale Reichweite (unter günstigsten Bedingungen) nur 190 Kilometer. Der in der Größe vergleichbare Benzin-Golf 1.2 TSI schafft dagegen mit seinem 50-Liter-Tank beachtliche 820 Kilometer.

Neue Konzepte des Automobilzulieferers Bosch sollen das in Zukunft ändern. Im September 2015 präsentierte Bosch auf der Internationalen Automobilausstellung (IAA) in Frankfurt eine neue Batterietechnologie. Mit ihr sollen die Batterien bei doppelter Ladekapazität um 75 Prozent in Gewicht und Größe schrumpfen. Für dieses Vorhaben hat sich Bosch einen kompetenten Partner ins Boot geholt: Das Start-up-Unternehmen Seeo aus dem kalifornischen Hayward. Die 35 Mitarbeiter von Seeo haben eine neuartige Feststoffzelle für Lithium-Ionen-Akkus entwickelt. Neben geringerem Gewicht und kleinerem Volumen soll die neue Technik auch mehr Sicherheit bringen: Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus sind die patentierten Feststoffzellen nicht mehr brennbar. Dazu Volkmar Denner, Vorsitzender der Geschäftsführung der Robert Bosch GmbH: „Die Festkörperzelle könnte eine entscheidende Durchbruchstechnologie sein.“ Es bleibt abzuwarten, wann diese optimierten Batterien in Serienproduktion gehen.

Ladekapazität von Elektroauto-Batterien

Die Reichweite eines E-Autos wird durch die Ladekapazität der Batterie bestimmt. In diesem Punkt sind die Automodelle des US-Herstellers Tesla absolute Spitzenreiter: Die Elektrolimousine Tesla S fährt mit einer Stromladung von 90 Kilowattstunden 560 Kilometer weit – etwa dreimal so weit wie durchschnittliche E-Autos anderer Hersteller. Tesla lässt seine Kunden für diesen Komfort allerdings tief in die Tasche greifen: Das Model S kostet je nach Ausstattung und Batteriegröße ab 75.000 Euro aufwärts.

Doch auch für weniger betuchte Käufer versprechen neue Batteriekonzepte (siehe Bosch) bis zum Jahr 2020 eine Verdopplung der heutigen Ladekapazität. Damit käme beispielsweise der e-Golf der 400 Kilometer-Marke nahe. Falls der Ausbau der Infrastruktur für Ladestationen mit der Entwicklung Schritt hält, steht dann auch langen Überlandfahrten nichts mehr im Weg.

Auch im Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) bei Chicago wird intensiv geforscht. Die US-Regierung hat dem Unternehmen 120 Millionen Dollar zukommen lassen. Im Gegenzug muss im JCESR bis zum Jahr 2017 eine neue Superbatterie entwickelt werden. Sie soll über die fünffache Ladekapazität herkömmlicher Batterien verfügen, dabei aber nur ein Fünftel kosten. Am JCESR wird daher fieberhaft an der Entwicklung einer serientauglichen Lithium-Sauerstoff-Batterie gearbeitet. Die Idee ist nicht neu, aber die Umsetzung bringt etliche Schwierigkeiten mit sich. Es bleibt abzuwarten, ob es am JCESR gelingt, das hochgesteckte Ziel bis 2017 zu erreichen.

Umweltbelastung durch die Herstellung von Batterien

Dass die Rohstoffgewinnung und Herstellung von Batterien erhebliche Umweltbelastungen mit sich bringt, ist nicht von der Hand zu weisen. Detaillierte Informationen dazu haben wir bereits an anderer Stelle zusammengetragen (Öko-Bilanz: Wie schädlich ist die Produktion und Entsorgung von Batterien?). Aber ist der derzeit noch gängige Lithium-Ionen-Akku der Weisheit letzter Schluss? Nein: Weltweit forschen Wissenschaft und Industrie an einer neuen Generation von Stromspeichern. Im Fokus ihrer Arbeit steht leider mehr die Leistungs-Optimierung als der Umweltaspekt. Alle zukünftigen Konzepte basieren auf der Grundlage einer Lithium-Verbindung. Dieser Rohstoff könnte aber bei wachsendem Verbrauch schon im Jahr 2050 knapp werden. Fazit: Trotz der umweltfreundlichen Antriebsart stellt das E-Auto langfristig keine vollständige Entlastung der Umwelt dar. Jede bislang bekannte Form der Mobilität verursacht zwangsläufig Umweltbelastungen. Allein das Ausmaß der Belastung ist veränderbar.

Recycling der Batterien

Bei diesem Punkt steht nicht die technische Machbarkeit im Vordergrund. Funktionierende Recyclingbetriebe für Lithium-Ionen-Akkus von Handys und Laptops beweisen, dass die Technik bereits gut ausgereift ist. Hier sind vor allem Industrie und Politik gefragt: Die Kapazitäten der Recyclingbetriebe müssen parallel zu den wachsenden Absatzzahlen von E-Autos ausgebaut werden. Bleibt zu hoffen, dass die Regierung ihre ehrgeizigen Pläne zur E-Mobilität mit entsprechenden Maßnahmen flankiert. 

Quelle: stromschnell.de
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