Wann kommt der "Super-Akku"?

Die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) ist als Energielieferant das zentrale Bauteil, da sie entscheidend sowohl die Reichweite als auch die Fahrzeugkosten beeinflusst. Nach wie vor finden hier Verbesserungen bei der Energie- und Leistungsdichte statt; eine neue Batterietechnologie, die dieses System bald ablösen könnte, ist aktuell jedoch nicht in Sicht. Lithium-Ionen-Batterien bleiben Stand der Technik.


 

 

Weitere Verbesserungen der Lithium-Ionen-Batterien

Eine hohe Energiedichte erlaubt lange Reichweiten - eine hohe Leistungsdichte dagegen einen schnellen Ladevorgang. Derzeit sind keine Batterien verfügbar, die beide Eigenschaften in gleich hohem Maße aufweisen. Bei der aktuellen → Batterie-Generation handelt es sich um Batteriezellen, die überwiegend auf Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithium-Manganoxid (LMO), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid (NCA) oder Lithium-Nickel-Cobalt-Manganoxid (NCM) basieren. Je nach Zellchemie können Energiedichten von Lithium-Ionen-Batterien zwischen 90 und 250 Wh/kg erreicht werden.

Nahaufnahme Batterien.
© MEET/WWU Münster

© WWU / MEET (Judith Kraft)

Durch den Ausbau der bestehenden Batterie-Technologien sowie durch die Verwendung der neuen Materialien bzw. Materialkombinationen ist weiteres Verbesserungspotenzial in Hinblick auf Energie, Leistung und Sicherheit zu erwarten. Weiterentwicklung und Forschung der Post-Lithium-Ionen-Batterien (Lithium-Luft-, Lithium-Schwefel-, Metall-Luft-Batterien, Lithium-Feststoffbatterien) bietet langfristig die Chance der Vervielfachung der Energiedichte und damit der Reichweite von Elektrofahrzeugen sowie die Reduktion der Kosten.

 

 


 

 

Feststoffbatterie (solid state battery)

Der Markt der Elektromobilität wird gegenwärtig von Lithium-Ionen-Batterien dominiert. Die aktuelle Technologieentwicklung der Batterie zeigt den Trend hin zu Feststoffbatterien mit Lithium-Metallanode und Hochenergiekathode. Die Forschungsarbeiten an Feststoffbatterien laufen längst weltweit und die Technologie wird heutzutage allgemeinhin als Zukunftstechnologie bezeichnet. Im Vergleich zu herkömmlichen LIB bewegen sich die Ladungen zwischen Elektroden bei Feststoffbatterien nicht durch eine Flüssigkeit, sondern durch ein festes Material wie Polymer, Keramik, Glas oder durch ein Hybridmaterial.

© MEET/WWU Münster
© MEET/WWU Münster

Versuchsaufbau.
© MEET/WWU Münster

Aufgrund des festen Elektrolyts bieten sie eine höhere Sicherheit und höhere Energiedichten als flüssige Elektrolyte. Durch Dicken des Feststoff-Elektrolyts von wenigen Mikrometern sind die Feststoff-Akkus leicht zu miniaturisieren und die Auslaufgefahr des Elektrolyten beim Beschädigungen besteht nicht. Sie haben in der Regel auch eine sehr lange Lebensdauer und eine gute Lagerfähigkeit. Ein weiterer Vorteil ist die fehlende Entflammbarkeit, was den Verzicht auf die sonst zusätzliche Sicherheitsvorrichtung der Akkus bedeutet.

 

 


 

 

Alternativen zu Lithium-Ionen-Akkutechnik

Sowohl Post-Lithium-Ionen-Batterien als auch eine nicht auf Lithium basierende Batteriechemie bieten mögliche Entwicklungsoptionen, die von Forschung und Entwicklung nicht vernachlässigt werden dürfen.
In der Theorie versprechen diese alternativen Batteriesysteme vor allem niedrige Kosten und hohe Energiedichten. Allerdings zeigt sich in der Praxis, insbesondere im Bereich der Metall-Luft- bzw. Metall-Sauerstoff-Systeme, ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

Metall-Luft-Batterien erlauben durch ihre hohe Energiedichte theoretisch höhere Reichweiten von Elektroautos und eine längere Nutzungsdauer von Elektrogeräten. Aber sie haben eine zu kurze Lebensdauer und sind deshalb noch keine echte Alternative. Zink-Luft-Batterien dagegen werden bereits eingesetzt, etwa in Hörgeräten, sie lassen sich allerdings nicht wieder aufladen. Hier geht es in der Forschung vor allem darum, eine aufladbare Variante zu entwickeln.

Eine weiterer Batterietyp, der noch in der Entwicklung ist, sind Metall-Schwefel-Batterien. Am weitesten fortgeschritten sind hier Lithium-Schwefel-Batterien. Sie haben aber eine geringere Energiedichte und eine kürzere Lebensdauer als gängige Lithium-Ionen-Batterien, dafür sind sie kostengünstig und Nickel/Kobalt frei. Auch Magnesium-Schwefel-Batterien sind sehr günstig und sicher im Betrieb. Doch auch dieser Batterietyp ist noch nicht serienreif.

Ebenfalls interessant sind Metall-Ionen-Batterien, bei denen nicht Lithium, sondern andere Metalle zum Einsatz kommen. Jedes Metall hat andere Eigenschaften und damit Vor- und Nachteile wie Gewicht, Größe, Kosten oder Verfügbarkeit der Metalle. In der Entwicklung sind beispielsweise Aluminium-Ionen-Batterien oder Natrium-Ionen-Batterien.

Hochtemperatur- auch Thermal-Batterien genannt  (z.B. ZEBRA- oder Natrium-Schwefel-Batterie)  können oft kostengünstig betrieben werden, arbeiten effizient und haben eine hohe Lebensdauer. Allerdings werden sie bei hohen Temperaturen (~300 °C) betrieben, was gewisse Herausforderungen für einen wirtschaftlichen Einsatz stellt.

 

 

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