Batterieforschung : Drei Millionen Kilometer mit einem Akku

Wer in jüngster Zeit die Presse aufmerksam verfolgt hat, ist möglicherweise auf eine Serie von Meldungen aus der Batteriewelt aufmerksam geworden, in der insbesondere junge Firmen aus den USA und Europa versprechen, die wesentlichen Herausforderungen bei Batterien – wie Reichweite, Ladegeschwindigkeit, Kosten – nun endlich gelöst zu haben.

Schaut man sich diese Veröffentlichungen genauer an, so stellt man oft fest, dass entweder nicht die ganze Geschichte dieser Erfindung erzählt wird oder Dinge behauptet werden, ohne dafür überzeugende Belege zu liefern, oder dass Zusammenhänge schlicht übersehen werden. Wie bei der Firma Belenos in der Schweiz, wo man dachte, man hätte mit einem besonders leichten Speichermaterial die Lösung aller Probleme gefunden – dabei aber übersah, dass „leicht“ gleichzeitig auch „voluminös“ bedeutet und die Batterie damit zu groß für den Einsatz in einem E-Auto werden würde.

Der Weg zwischen Invention (Erfindung) und Innovation (erfolgreiche Markteinführung) ist also steinig, und eine erfolgreiche wirtschaftliche Umsetzung benötigt eine klare Vision, Fachwissen, Mut, viel Arbeit – und Ehrlichkeit.

Ehemalige Start-ups schafften bemerkenswerte Durchbrüche

Aber es gibt auch Positivbeispiele von ehemaligen Start-ups, die sich mittlerweile zu Marktführern entwickelt haben und die, oft unbemerkt von der Öffentlichkeit, bemerkenswerte Durchbrüche erzielt haben, diese auf den Markt brachten und damit echte Innovationen geschaffen haben. So wurde das Jahr 2020 zu einem Jahr voller Umbrüche in diesem Bereich.

Worum geht es? Es geht darum, dass durch neue Batteriedesigns Möglichkeiten geschaffen wurden, von denen Entwickler in den Jahren davor nur zu träumen wagten. Um das zu verstehen, müssen wir zunächst in das Innenleben der bisherigen Batterien schauen, welches aus vielen hundert Einzelteilen besteht. Da ist als Erstes die kleinste Einheit des Speichers, die sogenannte Zelle. Das sind einzeln verpackte, etwa schokoladentafelgroße Platten, die zusammen mit anderen zu einem sogenannten Modul verbunden werden, was dann etwa die Form eines großen Schuhkartons besitzt. Diese Module werden dann zu einem großen Ganzen verschaltet, dem sogenannten Batteriepack, der noch einmal durch eine stabile Hülle vor der Außenwelt geschützt wird.

Durch die verschiedenen Gehäuse und die zugesetzten Hilfsstoffe enthält die gesamte Batterie (der Pack) am Ende nur noch 25 bis 30 Prozent Speichermaterial. 70 bis 75 Prozent sind also Verpackung, welche das Innere der Zellen schützt, und Hilfsstoffe, die für den Betrieb der Batteriezellen notwendig sind. In der Verringerung dieses „toten“ Anteils steckt nun ein mächtiger Hebel, um eine verbesserte Leistungsfähigkeit der Batterie zu erreichen. Tatsächlich gab es die Fortschritte der letzten Jahre nicht nur, weil man neue und bessere Speichermaterialien entwickelt hatte, sondern auch und vor allem durch eine bessere Ausnutzung des Innenraums der Batterie.

Denkt man diesen Ansatz konsequent weiter, landet man am Ende bei einer Konstruktion, in der die kostenaufwendige Fertigung von vielen Einzelzellen und Modulen entfällt und stattdessen nur noch wenige, aber dafür sehr große Zellen im Bauraum untergebracht werden. Einer der Entwickler dieser neuen sogenannten Cell-to-Pack-Technologie, die chinesische Firma CATL, berichtet, dass sich dadurch 15 bis 20 Prozent mehr Speichermaterial in der gleichen Baugruppe unterbringen lassen – und man gleichzeitig 40 Prozent weniger Teile für die Fertigung benötigt.

50 Prozent mehr Raum für das Kathodenmaterial

So enthält beispielsweise der Batteriepack des Tesla Model S 16 Module, während es beim neuen Model 3 mit der CATL-Batterie nur noch vier Module sind. Die chinesische Firma BYD gibt sogar an, dass in der Batterie ihres neuen Oberklasse-Flaggschiffs namens Han 50 Prozent mehr Raum für das Kathodenmaterial, also den Pluspol, geschaffen wurde.

Wer zudem den Auftritt von Elon Musk am „Battery Day“ letzten September verfolgte, konnte lernen, dass durch den Wechsel des Batterieformats von einer sogenannten 18650er Zelle auf das neue, deutlich größere 46800er Zellformat eine Kapazitätssteigerung von 16 bis 18 Prozent möglich sein wird. Dies hat weitreichende Konsequenzen. Für die Reichweite, die Beladbarkeit, die Nachhaltigkeit einer Batterie und insbesondere für die Kosten und die Sicherheit. 

Lässt man die Batteriechemie einfach wie sie ist und verwendet das neue Design, gewinnt man ohne Weiteres 100 km Reichweite hinzu, und man kann überdies auch mehr Strom pro Zeit aufnehmen, also schneller Reichweite laden. 

Man kann den gewonnenen Raum aber auch dazu nutzen, die Batterie auf eine deutlich nachhaltigere Materialbasis zu stellen. Insbesondere könnten dadurch teure und teilweise giftige Schwermetalle wie etwa das in die Kritik geratene Kobalt, aber auch Nickel, obsolet werden. Es gibt Kathodenmaterialien, die sicher sind, kostengünstig und ohne die Verwendung kritischer Rohstoffe auskommen. Das kommerziell bereits weit verbreitete Eisenphosphat ist solch ein Beispiel. Es wird derzeit hauptsächlich in den Hausspeichern für PV-Anlagen verbaut – aber auch in der Formel 1 in den sogenannten KERS-Systemen. Es ist kostengünstig, kann sogar bergmännisch abgebaut werden – und es ist sehr sicher.

Warum hat man es dann im E-Auto bisher verschmäht? Vor allem, weil es eine recht geringe Dichte hat (2,75 g/cm3), also sehr leicht ist. Dies klingt eigentlich wie ein Vorteil, erweist sich in der Praxis aber als Nachteil, wenn man bedenkt, dass die gleiche Menge an Eisenphosphat mehr als doppelt so viel Raum einnimmt wie reines Kobaltoxid (ca. 6 g/cm3), welches heutzutage eigentlich nur noch im Pluspol von Handy- und Notebook-Akkus zum Einsatz kommt. Auch die Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide (NMC Materialien), welche etwa drei bis 20 Prozent Kobalt enthalten und im Pluspol von modernen Fahrzeugbatterien eingesetzt werden, sind kompakter. Kurz gesagt: Das reine Eisenphosphat bot aufgrund seines hohen Platzbedarfs bisher schlicht zu wenig Reichweite. 

Problemlos einen Nagel durch die Batterie treiben

Mit den neuen Batteriedesigns kann nun mehr Eisenphosphat im Pack untergebracht werden, und man gewinnt dabei die ganzen Vorteile in Sachen Kosten, Nachhaltigkeit und Sicherheit, ohne dass man dafür kürzere Reichweiten in Kauf nehmen muss. Die oben erwähnte Batterie von BYD liefert 600 km Reichweite für die Limousine, und man kann einen Nagel durch das Gehäuse treiben oder den Pack verbiegen – ohne dass die Batterie heiß wird oder Feuer fängt. Tesla verbaut die neuen Systeme bereits im neuen Model 3, das im Sommer 2020 etwas überhastet in Schanghai auf den Markt kam und nun auch in Europa beziehungsweise Großbritannien angeboten wird, Renault möchte sein Modell 5 damit ausstatten und CEO Herbert Diess hat gerade die ersten VW-Modelle auf der Basis von Eisenphosphat angekündigt. Es ist damit zu rechnen, dass die Technologie weiter an Boden gewinnt.

Noch eine gute Nachricht: Das Eisenphosphat ist auch langlebiger als bisherige Materialien. Während mit den aktuellen NMC-Materialien in der Kathode bereits eine Million Fahrtkilometer und mehr mit einer Batterie Standard sind, werden es mit dem Eisenphosphat drei Millionen Kilometer sein. Dadurch eignen sich Batteriefahrzeuge auch als zukünftige autonome Flottenfahrzeuge mit Kilometerleistungen von je 150.000 km pro Jahr. Ein E-Auto wird dann um ein Mehrfaches rentabler sein als ein Auto mit Verbrennungsmotor, der eine Lebensdauer von nur 300.000 km hat. 

Batteriefahrzeuge bald billiger als Autos mit Verbrennungsmotor

Das ist nicht nur für die Betreiber autonomer Flotten lukrativ, sondern auch für den Privatkunden. Wenn dieser nach 200.000 Fahrtkilometern gerne auf ein anderes Modell umsteigen möchte, ist die Batterie fast noch neu und hat einen hohen Wiederverkaufswert, was die Gesamtkosten des Fahrzeugs weiter senkt.

Apropos Gesamtkosten: Noch ein Umbruch war im Jahre 2020 zu beobachten. Von der Agentur Bloomberg wurde gemeldet, dass jetzt die ersten Batteriezellen für E-Fahrzeuge auf dem Markt angekommen sind, die weniger als 100 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten. Warum ist das wichtig? Weil unterhalb dieser Schwelle Batteriefahrzeuge billiger werden als Autos mit Verbrennungsmotor. Tesla hat gerade angekündigt, ab 2022 einen Nachfolger des Model 3 für rund 20.000 Euro anzubieten. Deutsche Förderung und Mehrwertsteuer eingerechnet wäre das ein Endpreis von 15.000 Euro. 

In der Summe übertreffen die Entwicklungen im Bereich E-Mobilität alle bisher gesteckten Ziele und Erwartungen, und die Entwicklungsgeschwindigkeit ist rasant. Die Fortschritte führten vergangenes Jahr sogar dazu, dass der größte europäische Lkw-Hersteller Scania sich entschieden hat, die zukünftige Flotte nicht mit Brennstoffzellen, sondern mit Batterien auszustatten. 2020 war auch das Jahr, in dem die europäischen Zulassungszahlen für E-Autos erstmals die von Dieselfahrzeugen übertrafen. Wenn sich die Entwicklung fortsetzt, werden – schon aus rein ökonomischen Gründen – ab 2025 nahezu ausschließlich Elektroautos verkauft werden.