Kaum eine Woche vergeht, in der nicht neue „Wunder-Akkus“ angekündigt werden, die Elektroautos mit über 1.000 Kilometer Reichweite versprechen und obendrein blitzschnell aufgeladen werden können. Meistens soll es nur zehn Minuten dauern, bis die Energiezellen bis zu 80 Prozent gefüllt sein. Ungefähr die gleiche Zeit braucht es um den 50 Liter-Tank eines alten Diesel-Pkw zu befüllen.

Oft wird bei den neuen und angeblich so revolutionären Akkus eine sehr schnelle Markteinführung versprochen – doch dann hört man nichts mehr von ihnen. Erinnert sich noch jemand an NanoFlowCell? Noch ist bei der mit Salzwasser betriebenen Flusszelle der entscheidende Durchbruch nicht gelungen – seit vier Jahren hört und liest man nichts mehr von dem Schweizer Unternehmen.

Das zeigt, dass die Elektrochemie doch komplexer ist, als manche Startups auf der Suche nach Investoren Glauben machen wollen. Die Anforderungen an die Akkus sind in einem Elektroauto nun einmal deutlich höher als die für ein Kinderspielzeug. Da geht es um Lebensdauer, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und natürlich auch Kosten. Wenn ein Bauteil mehrere Hunderttausende Male produziert wird, potenzieren sich Centbeträge.

Wunder brauchen etwas länger

Die heißesten Eisen im aktuellen Reichweiten-Feuer sind der „Zwei-Millionen-Meilen-Akku“ des Tesla Forschers Jeff Dahn, die SALD-Batterien, die Natrium-Ionen-Akkus und natürlich die vielbeschworenen Feststoffbatterien. „Aus meiner Sicht sind das alles keine Wunder-Akkus, sondern technische Entwicklungen, die hier und da einen technischen Fortschritt versprechen“, stellt Professor Maximilian Fichtner klar. Er ist ein international renommierter Experte für Batterietechnologie, der Festkörperchemie an der Universität Ulm lehrt und die Abteilung für Energiespeichersysteme am KIT (Karlsruher Institut für Technologie) leitet.

Wenn man diese Maßstäbe anlegt, dünnt sich das Feld der vielversprechenden Technologien schnell aus.

Batterie für 10.000 Ladezyklen?

Unlängst hat der Tesla-Batterieforscher Jeff Dahn bei einer Online-Konferenz des Batteriesoftware-Analyse-Unternehmens Twaice einen Zwischenbericht seiner Arbeit gegeben. Ziel sei es weiterhin, eine Batterie zu entwerfen, die 1,6 Millionen Kilometer durchhält, ohne nennenswert an Leistungsfähigkeit zu verlieren. Der US-Forscher hatte bereits im Oktober 2020 eine neue Zelle vorgestellt, die rund 10.000 Ladezyklen verkraftet. Das entspräche bei einem E-Auto mit einer Reichweite von 350 Kilometer einer Fahrleistung von mehr als drei Millionen Kilometern.

Aktuelle Elektroautos schaffen 1.500 bis 2.500 Ladezyklen und hat dann noch rund 70 bis 80 Prozent der ursprünglichen Kapazität. Ein weiterer Vorteil dieser Marathon-Akkus ist, dass sie problemlos als Energiespeicher verwendet werden können und bei intelligenter Vernetzung Lade- und Energieprobleme lösen kann. Fichtner bringt auch hier Licht ins amerikanische Dunkel.

„Jeff Dahns bisherige Entwicklungen gingen in die Richtung, die Pulverpartikel des Speichermaterials als perfekte Kristallpartikel herzustellen, welche weniger durch den Elektrolyten angegriffen werden können. Dadurch halten sie bedeutend länger. Zusätzlich ist er dabei, durch gezielte kleine Veränderungen in der Materialzusammensetzung diese weiter zu stabilisieren. Das halte ich für durchaus machbar und die bisherigen Materialien von Tesla zeigen ja auch, dass das prinzipiell geht.“

SALD nur für Kleinstbatterien?

Das SALD („Spatial Atom Layer Deposition“) ist ein anderes Konzept, um die Leistungsfähigkeit der Antriebsbatterien auf ein neues Niveau zu heben. Allerdings handelt es sich hier nicht um eine revolutionäre Art von Batterie, sondern um eine Verbesserung der Komponenten. Also geht es hier um eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus, bei der die Zellen mit einer ultradünnen Molekülbeschichtung ummantelt werden. Das soll den Fluss der Ionen von der Kathode zur Anode deutlich erleichtern und damit die Sicherheit und Langlebigkeit des Akkus verbessern. Auch die oft zitierten 1.000-Kilometer Reichweite sollen so erzielt werden und ein deutlich schnelleres Laden. Fichtner bleibt aber skeptisch: „Ich halte das für eine technische Lösung, die möglicherweise sinnvoll für Kleinstbatterien ist, da es dort nicht so sehr auf die Kosten ankommt. Im Automobilbereich kann ich mir solche Batterien nicht vorstellen.“

Hoffnungsträger Feststoffbatterie

Mit schnelleren Ladezeiten, einer höheren Energiedichte und mehr Leistung bietet die Feststoffzellenbatterie ähnliche Vorteile wie das SALD-Verfahren. Dass diese Akkus kommen werden, gilt als gesetzt. Weil die Ladung hier nicht mehr durch ein flüssiges, sondern ein festes Elektrolyt fließt und der Minuspol statt aus Grafit aus Lithium besteht, könnten die Batterien deutlich leichter werden. Laut Fichtner sind Reichweiten-Gewinne von etwa 30 bis 40 Prozent möglich.

So weit, so gut. Allerdings bilden sich bei den bisherigen Lithium-Ionen-Batterien beim Be- und Entladen nach und nach kleine Metallnadeln auf dem Lithium, was im schlimmsten Fall zu einem Kurzschluss der Batterie führen kann. Um das zu verhindern, ersetzt man bei der Festkörperbatterie das flüssige Elektrolyt zwischen den Elektroden durch eine dünne Keramikschicht. Die ist nicht brennbar, leitet aber die Lithium-Ionen und bildet zudem eine mechanische Barriere für die erwähnten Metallnadeln (Dendrite). „Die Schwierigkeit ist, das so zu fertigen, dass die Anordnung über lange Zeit stabil ist und die vielen kleinen Kontaktflächen der verschiedenen Festkörper beim Be- und Entladen nicht abreißen“, umreißt Maximilian Fichtner die Problemstellung.

Große Schlagzeilen, aber nur kleine Fortschritte

BMW, Mercedes und VW investieren Milliardenbeträge in diese neue Technologie. Auch der chinesische Autobauer Nio hat für seine Elektrolimousine ET7, die dieses Jahr auf den Markt kommen soll, eine Feststoffbatterie und große Reichweiten angekündigt. Der ADAC spricht sogar von einer „Weltsensation“, räumt aber ein, dass das Topmodell mit den neuen Akkus erst 2024 beim Händler stehen wird.

Auch bei anderen Herstellern werden die Feststoffzellen nicht von heute auf morgen in die Serienmodelle kommen. Mercedes tüftelt schon länger an diesen Zellen, musste den Zeitplan aber bereits mehrfach revidieren. Vor allem bei Energiedichte und Ladegeschwindigkeit besteht noch Entwicklungsbedarf. BMW teilt offenbar diese Einschätzung und will bis Ende des Jahrzehnts – also in sechs bis sieben Jahren – den ersten Serien-Stromer mit Feststoffzellenbatterie auf den Markt bringen. Zunächst aber kommen die Feststoffzellen-Akkus allerdings wohl in Bussen zum Einsatz.

Der chinesische Batteriezellenproduzent CATL (Contemporary Amperex Technology), mit dem BMW und Mercedes zusammenarbeiten, hat im vergangenen Jahr immerhin eine Natrium-Ionen-Batterie für das Jahr 2023 angekündigt. Die Vorteile der Akkus, die ohne Lithium, Nickel und Kobalt auskommt, sind neben den günstigeren Kosten und der besseren Ökologie die thermische Stabilität bei Minusgraden und die Möglichkeit, schnell zu laden.

Nachhaltige Natrium-Ionen-Akkus

Für Fichtner sind die Natrium-Ionen-Batterien eine der „aufregendsten Neuentwicklungen zurzeit. Man hat hier die Perspektive, recht leistungsfähige Batterien auf einer nachhaltigen Materialbasis zu bauen. Ich denke, das System wird eine große Zukunft haben und es kann eine große Entlastung bringen für die angespannte Rohstoffsituation im Li-Markt. Vor ein paar Jahren wurde das noch als Spielerei und exotisch abgetan. Mittlerweile sind die Zellen marktreif.“

Auf der Minus-Seite steht noch die vergleichsweise geringe Energiedichte des Batterietyps. Allerdings bewegt sich auf diesem Gebiet bereits etwas. Laut chinesischen Medien hat CATL Anfang dieses Jahres ein Patent eingereicht, dass die Energiedichte der Natrium-Ionen-Batterie um 25 Prozent auf angeblich 200 Wh/kg erhöht. Zum Vergleich: Die Top-Zellen des VW-Konzerns erreichen aktuell eine Energiedichte von knapp 300 Wh/kg – sie sind allerdings auch deutlich teurer. CATL nennt perspektivisch einen Preis von 30 Dollar pro Kilowattstunde. Die Hochleistungszellen sind schätzungsweise etwa dreimal so teuer.