Neue Budget-Batterien für preiswerte Elektroautos

Stefan Moeller ist begeistert: Die Anzeige für die Ladeleistung im Tesla Model 3 steigt auf 166 Kilowatt (kW). Vor einem Softwareupdate im Februar hatten andere Nutzer geringe Ladeleistungen von nur noch 30 kW beklagt. Der Tesla lädt also nach der digitalen Überarbeitung mehr als fünf Mal so schnell: „Das zeigt, dass Tesla es in wenigen Wochen geschafft hat, die LFP-Zellchemie in den Griff zu bekommen.“

Moeller betreibt die bundesweite Elektroauto-Vermietung Nextmove. Er war zuerst enttäuscht von der neuen Batterie des Tesla Model 3 Standard Range Plus, die bei niedrigen Temperaturen zu verkrampfen schien und ihre Ladeleistung reduzierte – schnell war von „Coldgate“ die Rede.

Die Kalifornier aber haben die Kälteempfindlichkeit der LFP-Zellen inzwischen durch gezielte Vorheizung deutlich abgemildert. LFP, das steht für Lithium-Eisenphosphat. Zurzeit setzt allein Tesla auf diese Zellchemie und das auch nur im Basismodell. Dieses Bild wird sich in den nächsten Jahren aber drastisch wandeln: Viele Hersteller setzen auf LFP-Zellen. Denn sie sind äußerst robust, dauerhaltbar und vor allem preisgünstig.

Auch Herbert Diess, Vorstandsvorsitzender des Volkswagen-Konzerns, kennt das Potenzial von Lithium-Eisenphosphat-Zellen, die „bei zwei Millionen Kilometern oder 16 Jahren“ gesehen würden, so Diess. Die Ankündigung: „Volkswagen plant für das Small-BEV mit kobaltfreien LFP-Batterien.“ Small-BEV bedeutet übersetzt das kleine Batterie-elektrische Auto. Konkret geht es um die Serienversion des ID.Life, der im September auf der IAA Mobility in München vorgestellt wurde.

LFP-Zellen können bis zu 10.000 mal geladen werden

Bei den heute üblichen Batterie-Zellen wird an der Kathode eine Mischung aus Nickel, Kobalt und Mangan eingesetzt. Abgekürzt: NCM. Der Erfolg dieser Bauweise ist die hohe Energiedichte. Pro Kilogramm Gewicht und pro Liter Bauvolumen lässt sich besonders viel Strom speichern. Über perfektere Fertigungsprozesse sinkt der Preis kontinuierlich. Trotzdem gibt es ein Hindernis bei der weiteren Kostenreduktion: Die Metalle Nickel und Kobalt sind teuer. Bei Nickel sind es gut 16.000 Euro und bei Kobalt über 45.000 Euro pro Tonne. Eisen dagegen liegt im dreistelligen Bereich. Wenn Volkswagen kobaltfreie LFP-Batterien verspricht, geht es nicht nur um zweifelhafte Förderbedingungen, sondern schlicht ums Geld.

Auf der Habenseite von LFP-Zellen steht neben den niedrigen Materialkosten die hohe Zyklenfestigkeit. Bis zu 10.000-mal können sie geladen werden. Multipliziert man diesen Wert mit einer Reichweite von 200 Kilometern, kommt man rechnerisch auf die von Diess erwähnten zwei Millionen Gesamtkilometer. Die braucht fast niemand. Darum werden die LFP-Zellen inzwischen dicht an dicht ins Batteriepaket integriert, auch wenn sich das leicht negativ auf die Lebensdauer auswirkt. Cell-to-Pack nennt sich dieses Verfahren. Das ist auch möglich, weil es bei LFP- anders als bei den heute üblichen NCM-Zellen kein Risiko des gefürchteten thermischen Durchgehens gibt.

LFP-Zellen mit schlechterer Energiedichte

So kann der größte Nachteil der LFP-Zellen wenigstens ein bisschen ausgeglichen werden: Die Energiedichte ist schlecht. Oder um beim Beispiel Tesla zu bleiben: Im gleichen Bauraum zwischen den Achsen, der bei den teuren Zellen („Long Range“) für 614 Kilometer genügt, sind es mit LFP-Chemie nur 448. Bei zukünftigen Kleinwagen wie dem Volkswagen ID.Life ist Reichweite aber zweitrangig, weil sie selten für die Langstrecke benutzt werden.

Chinesische Hersteller kümmern sich um solche Feinheiten nicht. BYD (für Build Your Dreams) behauptet, mit dicht gepackten LFP-Zellen höchste Reichweiten erzielen zu können. Mit der neuen Plattform 3.0 will BYD sogar 1.000 Kilometer weit kommen. Überhaupt zeigen chinesische Marken mit Elektroautos wie dem BYD Dolphin oder dem Great Wall Ora Cat, dass sie einen Schritt weiter sind als der Rest der Welt. Diese Fahrzeuge werden leider nicht oder noch nicht nach Europa exportiert.

Um Elektroautos aus der Nische in die Masse zu führen, müssen die Kosten für Batteriezellen sinken. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis kobalt- und nickelfreie LFP-Zellen hierzu einen großen Beitrag leisten. Das Ende der Entwicklung sind sie dennoch nicht. Der härteste Konkurrent auf dem Markt der preisgünstigen Zellchemie lauert nämlich bereits am Horizont: Der Branchenriese CATL hat im Juli den Prototyp einer Natrium-Ionen-Zelle (abgekürzt SIB für Sodium Ion Battery) vorgestellt. 2023 soll die Serienproduktion mit Natrium statt Lithium beginnen.

Natrium-Ionen-Zellen sind nochmals deutlich billiger

CATL ist kein Startup oder Forschungsinstitut, das auf öffentliche Aufmerksamkeit angewiesen ist, sondern ein gigantischer Batteriehersteller. Das Unternehmen kann es sich nicht leisten, mit der Ankündigung einer Natrium-Ionen-Zelle Hochstapelei zu betreiben. Es ist darum anzunehmen, dass es den Technikern gelungen ist, einen Durchbruch bei der Materialentwicklung zu erzielen: An der Anode kommt amorpher Kohlenstoff, das so genannte Hard Carbon, zum Einsatz. Das Hard Carbon muss so verbessert worden sein, dass es beim ersten Laden nicht zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust kommt.

Zwar haben Natrium-Ionen-Zellen eine ähnlich niedrige Energiedichte wie jene mit LFP-Chemie. Aber sie haben bei Kälte eine größere Leistungsfähigkeit und können folglich auch im Winter ohne zeit- und stromfressende Vorheizung schnell laden. Ebenfalls wichtig ist, dass bestehende Produktionsanlagen weiterverwendet werden können. Der entscheidende Vorteil liegt jedoch in den Materialkosten: Natrium ist billiger als Lithium und außerdem leichter zu fördern. Insgesamt könnte der Kostenvorteil bei 20 Prozent liegen.

Es wäre also ein Irrtum anzunehmen, dass die Zellchemie heute final ausentwickelt ist. Das Gegenteil ist der Fall: Es geht erst richtig los. Es könnte allerdings sein, dass nicht mehr die weitere Erhöhung der Energiedichte das erste Ziel ist. Stattdessen spielt Geld eine entscheidende Rolle. Der Grund: Die internationale Kundschaft kann nicht jede Hightech bezahlen.

Fahrzeuge, die einfach nur zuverlässig sind und lange funktionieren, haben schon immer eine herausragende Bedeutung gehabt. So wird es auch bei Elektroautos sein. Und darum sind die Aussichten von LFP- und SIB-Zellen sehr gut.