Das Zeitalter der Akkumulatoren

MIT-Forscher vermelden Durchbruch bei Akkumulatorenforschung – ein Meilenstein auf dem Weg zum Elektroauto?

Wenn das Erdöl zuneige geht, hat der Mensch das Rad neu zu erfinden - soll heißen: ein Antriebssystem, das es mit herkömmlich betriebenen Verbrennungsmotoren aufnehmen kann. Was folgt denn nun eigentlich auf das schwarze Gold?

Vor wenigen Tagen präsentierte das sich auf den Bau von Elektroautos spezialisierte Unternehmen Tesla Motors sein neuestes Schmuckstück – eine geräumige Elektrolimousine mit Namen Tesla Model S, die aller Voraussicht nach 2011 zum Verkauf angeboten wird. Nach anfänglichen Überlegungen, das Model S als Hybridfahrzeug auf den Markt zu bringen, entschied sich Geschäftsführer Elon Musk allerdings für ein reines Elektroauto. Je nach Verwendungszweck kann der Käufer dabei zwischen drei verschiedenen Akkupaketen wählen, die Fahrten über 260, 370 bzw. 480 Kilometer ermöglichen sollen. Beim Model S wird es sich um das erste autobahntaugliche, in Serienproduktion gefertigte Elektrofahrzeug handeln. Musks Entscheidung zugunsten eines reinen Elektromodells kann dabei als paradigmatisch für die sich im Umbruch befindliche Automobilbranche angesehen werden, die in den Tagen der Wirtschaftskrise sichtlich um demonstrative Neupositionierung bemüht ist. Hybridfahrzeuge bzw. rein elektrische betriebene Fahrzeuge geraten unter diesen Vorzeichen zunehmend in den Fokus des unternehmerischen Interesses.

Akkus statt Tank - das Elektroauto Tesla Model S. Bild: Tesla Motors

Elektroautos beziehen in aller Regel ihre zum Antrieb des Elektromotors notwendige Energie aus mitgeführten Akkumulatoren. Zudem wird bei moderneren Fahrzeugen, ergänzend zu der aus der Steckdose stammenden Energie der Sekundärzellen, die beim Bremsen oder beim Ausrollen des Fahrzeugs frei werdende kinetische Energie gespeichert (regeneratives Bremsen), um diese in einem Folgeschritt erneut zum Antrieb des Elektromotors zu verwenden. Bei früheren Modellen kamen noch vermehrt Blei-Säure-Akkumulatoren zum Einsatz. Gegenwärtig wird vor allem auf Nickelmetallhydrid-, Lithium-Titanat- bzw. auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren vertraut. Letztere finden sich auch häufig bei Mobiltelefonen, Laptops, Digitalkameras und ähnlichen Geräten des alltäglichen Gebrauchs.

Während bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren bzw. in der Photovoltaik seit geraumer Zeit keine signifikanten Fortschritte mehr bei der Optimierung des Wirkungsgrades erzielt werden konnten, unterliegt die Grundlagenforschung an elektrochemischen Energiespeichern einer ungebrochenen Dynamik. Vor knapp zwei Jahren sorgte eine Gruppe von Forschern rund um den an der Stanford-Universität tätigen Materialwissenschaftler Yi Cui für Furore, als sie bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren die zumeist aus Graphit bestehende Anode durch eine mit Silizium umgebene Stahlanode austauschte und auf diese Weise eine um bis zu zehn mal höhere Energiedichte erreichte. Dass der Einsatz von Silizium mit einer höheren Aufnahmekapazität von Lithiumionen einhergeht, war bereits zuvor bekannt gewesen. Allerdings war bis dahin der starke Materialverschleiß von Silizium, der auf die starke räumliche Ausdehnung der Anode bei der Aufnahme der Ionen zurückging, nicht in den Griff zu bekommen. Prof. Cui und seine Mitarbeiter lösten dieses Problem, indem sie zu einem Einsatz von Silizium-Nanodrähten übergingen, deren Stabilität durch die räumliche Ausdehnung nicht beeinträchtigt wird.

Während Cuis Erfindung eine Erhöhung der Energiedichte zur Folge hat, stellten vor kurzem die am Massachusetts Institute of Technology (MIT) arbeitenden Wissenschaftler Gerbrand Ceder und Byoungwoo Kang eine neue Technik vor, die eine Verbesserung der zweiten wichtigen Maßzahl bei Energiespeichern, der Leistungsdichte, erlaubt. Durch eine neuartige Beschichtung der Oberfläche der Lithium-Eisen-Phosphat-Kathode gelang es Kang und Ceder das Bewegungsmuster der Ionen dahingehend zu verändern, dass sich die Geschwindigkeit der Ionenaufnahme durch die Kathode um ein Vielfaches erhöhte. Eine schnellere Aufnahme der Ionen durch die Kathode bedeutet in diesem Fall eine höhere Leistungsdichte. Bei elektrochemischen Energiespeichern gibt die Leistungsdichte darüber Auskunft, wie viel Kilowatt Leistung der Energiespeicher pro gegebener Masse auf- oder abgeben kann.

Die Ladezeit kleinerer Akkus (Handys, Notebooks) kann auf diese Weise auf einige wenige Sekunden reduziert werden. Ob Ceders und Kangs Verfahren allerdings auch die Elektroautoindustrie revolutionieren wird, bleibt indes fraglich.

Dies liegt unter anderem auch daran, dass die hohen Energien, die für den High-Speed-Ladevorgang größerer Batterien vonnöten wären, unter Umständen eine Überhitzung der Akkus nach sich ziehen könnten. Die umfassenden infrastrukturellen Maßnahmen (ein Netz von Ladestationen), die bei einer Massenproduktion von Elektroautos zu ergreifen wären, würden zwar zweifellos einen großen Investitionsaufwand bedeuten, in Gegenüberstellung zu den Kosten bei der Errichtung von Wasserstofftankstellen wäre dieser jedoch noch vergleichsweise gering bemessen.

Der Geschäftsführer des sich auf die Herstellung von Batteriesystemen spezialisierten Unternehmens Cadex Electronics Isidor Buchmann rechnet generell nicht mit einem schnellen Siegeszug alternativer Antriebssysteme. Die Akkumulatorentechnik sei gegenwärtig, wie auch Dr. Menahem Anderman, Geschäftsführer des Consulting-Unternehmens Advanced Automotive Batteries, versichert, einfach noch nicht weit genug ausgereift, um den Ansprüchen der Automotive-Industrie voll und ganz gerecht zu werden. Wie weit dieser Reifeprozess durch Ceders und Kangs Technik, die in den kommenden Jahren eine Kommerzialisierung erfahren wird, vorangetrieben werden kann, bleibt abzuwarten. Prof. Cui, dessen nanowire battery sich außerhalb des Labors ebenfalls erst zu bewähren hat, zeigt sich auf alle Fälle begeistert: Ceders Erfindung werde der Automotive-Industrie neue Türen aufstoßen, so der Materialwissenschaftler auf Anfrage von Telepolis.

Doch das geht klarerweise nicht von heute auf morgen. Für die kommenden Jahre prophezeit Uli Blessing, Betreiber der Internetplattform Hybrid-Autos.info, eine Vergrößerung des Marktsegments von Vollhybrid-Modellen. Bei einem Vollhybrid-Modell handelt es sich um ein Fahrzeug, welches temporär auch ohne zusätzliche Unterstützung durch den Verbrennungsmotor angetrieben werden kann. Lithium-Ionen-Akkus werden sowohl bei Hybridfahrzeugen als auch bei klassischen Elektrofahrzeugen vermehrt die Rolle des elektrochemischen Energiespeichers übernehmen, gibt sich Blessing überzeugt. Angesichts der hohen Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus scheint diese Entwicklung naheliegend. Es könnte jedoch dazu kommen, dass die knappe Verfügbarkeit von Lithium (Lithium für Akkus könnte knapp werden) den Plänen der Elektroauto-Industrie dabei einen Strich durch die Rechnung macht. Die Zukunft der Straße bleibt also bis auf Weiteres ungewiss.

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