Wettrennen um die Autobatterie der Zukunft eröffnet

28.09.2014

Der große Traum der umweltschonenden Elektromobilität hängt von der Lösung der Probleme mit der Batterie ab

Am 4. September gab die Firma Tesla bekannt, dass ihre "Gigafabrik" für die Herstellung von einer halben Million Autobatterien pro Jahr in Nevada eingerichtet werden soll. Steuervergünstigungen haben den Ausschlag für den Nachbarstaat von Kalifornien gegeben. Damit wird das Wettrennen um die Autobatterie der Zukunft aufgedreht.

Bild: Tesla Motors

Elon Musk, der Gründer von Tesla Motors, ist jemand, der große Träume hegt und auch verwirklicht. Als Tesla startete, schien es so, dass die Firma nur Elektroautos für eine kleine, aber zahlungskräftige Elite bauen würde. Jetzt greift Tesla die unteren Marktsegmente an - der Bau einer Batteriefabrik ist einer der Eckpfeiler dieser Strategie, um E-Fahrzeuge günstiger anbieten zu können. Wie steht es aber in Deutschland und global gesehen mit der Elektromobilität?

Abb. 1: Kumulativer Bestand an E-Fahrzeugen (2008-2013). Bild: Fraunhofer Gesellschaft

Anders als Musks Träume scheinen die Elektromobilitätspläne der Bundesregierung in Gefahr zu geraten: Geplant war, dass bis 2020 eine Million E-Autos auf deutschen Straßen fahren sollen. Dennoch hat vor einem Jahr eine Studie der Fraunhofer Gesellschaft verschiedene Einfuhrszenarien durchgespielt und das noch wirklich Machbare dargestellt. Angeblich könnten auch unter ungünstigen Bedingungen bis 2020 zwischen 150.000 und 200.000 E-Autos in Deutschland unterwegs sein.1

Die gegenwärtigen Verkaufszahlen lassen die beteiligten Autokonzerne jedoch noch nicht in Euphorie verfallen. Allerdings steigt der Umsatz für Elektrofahrzeuge, wenn nicht in Deutschland, so doch in anderen Regionen. Abb. 1 zeigt die kumulativen Zahlen der bis Ende 2013 verkauften E-Fahrzeuge in verschiedenen Ländern. Insgesamt gibt es weltweit bereits um die 400.000 Elektroautos, darunter 140.000 allein in den USA. Bei der Elektromobilität hinkt Deutschland deutlich hinter Japan und sogar hinter Frankreich her. Nach der Kurve soll sich der kumulative Weltbestand an elektrischen Fahrzeugen in nur einem Jahr verdoppelt haben, obwohl Elektroautos immer noch nur 1% des Marktes darstellen.

Was den großen Traum der umweltschonenden Elektromobilität immer noch aufhält, ist das Problem der Batterie. Deren Anschaffungspreis ist nicht gering und die notwendige Ladeinfrastruktur ist nicht überall vorhanden. Wir haben 2012 ein Elektrofahrzeug für die Universität gekauft und die dazugehörige Batterie hat mehr gekostet als das Auto (in der Benziner-Variante). Angeblich sollte bei voller Ladung die Fahrleistung bei 110 Km liegen, aber im ersten Winter war die Batterie bereits bei 60 gefahrenen Kilometern fast leer. Man will ja nicht bei Temperaturen deutlich unter null Grad in einem Auto ohne Heizung sitzen. Was aber den Fahrer besonders nervös macht, ist die Batterieanzeige: Man weiß nicht, ob man die nächste Lademöglichkeit noch erreichen kann. Und Elektrizität mit dem Kanister zum Auto zu schleppen geht ja nicht.

Die Kilowattstunden

Fahrer der Zukunft werden sich daran gewöhnen müssen, dass der Zustand des Vehikels nicht mehr in Litern von Benzin gemessen wird, sondern in Kilowattstunden. Ein Auto wie der Nissan-Leaf hat bei voller Ladung 24 kWh. Damit kann man nach Messungen der amerikanischen Environmental Protection Agency mit diesem Fahrzeug, je nach Fahrstil, um die 117 Km fahren. Es reicht also für eine Pendlerfahrt in die Stadt und zurück. Und Pendler aus Suburbia wären hier die richtige Kaufgruppe, da derjenige, der im zehnten Stock in der Stadt lebt, sein Auto nur mit Mühe und Not an einer der wenigen Ladensäulen laden könnte.

Die Energiedichte der Batterien wird dementsprechend in kWh pro Kg gemessen. Die Batterie des Nissan-Autos liefert 0,140 kWh pro kg, oder anders gesagt, 140 Wh/kg. Nicht gerade üppig, trotzdem ist das Batteriepack sehr teuer. Außerdem verliert die Batterie im Laufe der Zeit Ladekapazität. Kein Autohersteller weiß mit Sicherheit, wie die Benutzungs-Statistik nach zehn Jahren aussehen wird. Hybridfahrzeuge, die bereits länger in Operation sind, bieten keinen sicheren Vergleich, da die Batterien für gewöhnlich nicht voll entladen werden, um danach vollgeladen zu werden. Allerdings geben Produzenten von E-Fahrzeugen eine Garantie von bis zu zehn Jahren auf die Lithium-Ion-Batterien, eine Pi-mal-Daumen Extrapolation, die all diesen Konzernen sehr teuer werden könnte.

Es ist fraglich, ob beispielsweise der Verkauf des Leaf für Nissan in den ersten zwei Jahren profitabel gewesen ist. Deswegen zögern immer noch viele Autohersteller Elektroautos anzubieten: Manche wollen lieber die Batterie leasen oder regelmäßig tauschen, als sie zu verkaufen. Für den Ansatz der Firma "Better Place", Batterien durch Roboter an der Tankstelle wechseln zu lassen, gab es nie eine kritische Masse von Benutzern und das Unternehmen hat 2013 Konkurs angemeldet. Am Ende waren nicht mehr als 1.400 Autos mit austauschbaren Batterien im Einsatz.

Im Vergleich zu der Energiedichte von Benzin schneiden herkömmliche Autobatterien nicht besonders gut ab. Es ist berechnet worden, dass Benzin bis zu 13 kWh pro kg erzeugen kann. Durch die thermischen und mechanischen Verluste im Auto erreichen nur 1,7 kWh die Räder. Es ist aber ein großer Unterschied zwischen diesen 1,7 kWh und den 0,14 vom Nissan-Leaf, fast ein Faktor von 12. Außerdem hat ein Benzinmotor im Winter den Vorteil, dass er gleichzeitig die Wärme für die Heizung erzeugen kann, ohne den Motor merkbar zu belasten.

Abb. 2 zeigt einen Vergleich von Batterietechnologien und die erreichbare Energiedichte in Wh/kg.2 Wie man sieht, liefert generische Li-Ion-Technologie um die 160 Wh/kg, aber die Lithium-Sauerstoff-Technologie könnte potenziell fast die Energiedichte von Benzin erreichen (nach Abzug der thermischen und Reibungsverluste). Volkswagen z.B. arbeitet an dieser Alternative.3

Abb. 2: Energiedichte von Batterietechnologien. Die theoretische Dichte verwandelt sich in die praktische durch die thermischen und mechanischen Verluste, bis die Energie an die Räder kommt. Bild: Girishkumar et. al. 2010

Nichts entzweit deswegen die Autohersteller und Zulieferer mehr als die Frage nach der "richtigen" Technologie für die Batterien der Zukunft. Elon Musk, ein Pragmatiker, setzt auf konventionelle Lithium-Batterien von Panasonic und hat deswegen den Bau der Fünf-Milliarden-Dollar Gigafabrik in Nevada angestoßen. Sie soll 2020 genug Batterien für bis zu eine halben Million elektrischer Fahrzeuge produzieren können. Das wären allerdings nur etwa 3% aller Neuzulassungen in den USA. Musk möchte mit der Fabrik den Preis der Batterien deutlich nach unten treiben, vielleicht bis zu 30% im ersten operativen Jahr.

Es gibt also immer noch eine "Batterie-Lücke". Deswegen hat im letzten Jahr ARPA-E, die Forschungsagentur des Energieministeriums in den USA wie so oft bevor einen neuen Technology-push-Zyklus eingeleitet. ARPA-E will neue Batteriekonzepte erforschen lassen und so wurden im Sommer 2013 22 Projekte ausgewählt, an die 36 Millionen Dollar verteilt wurden. Von Nanotechnologie bis hin zu leichten Batterieverpackungen ist alles dabei.4

Lithium-Sauerstoff-Batterien

Eine Lithium-Sauerstoff-Batterie verwendet Lithium bzw. eine lithiumhaltige Legierung in der Anode und eine Kathode aus porösem Material. Abb. 3 zeigt ein Diagramm. Bei der Entladung liefert das Lithium Elektronen und Lithium-Ionen reagieren mit Sauerstoff in der Kathode. Ein Elektrolyt transportiert die Lithium-Ionen. Derzeit werden verschiedene Arten von Elektrolyten getestet (siehe dazu die Batterie von IBM).

Nanotechnologie könnte eine große Rolle bei zukünftigen Batterien spielen. In jeder Batterie werden die Elektronen, die im Strom durch das Gerät fließen, an der Anode abgegeben und an der Kathode absorbiert. Die chemischen Reaktionen müssen schnell ablaufen, da die Batterie die Spitzenlasten beim elektrischen Motor bedienen soll. Ein Kilogramm Lithium kann beim Oxidieren fast so viel Energie wie ein Liter Benzin abgeben, deswegen sind Explosionen von undichten oder falsch geladenen Lithium-Batterien so spektakulär. Aber Lithium ist ein Feststoff und kann nur so schnell oxidieren, wie die Sauerstoffmoleküle an die Oberfläche des Metalls kommen können. Man muss also die Oberfläche des Materials maximieren, wenn die Reaktion mit der umgebenden Luft stattfinden soll. Es ist ähnlich wie bei der menschlichen Lunge: Der Sauerstoffaustausch benötigt viel Fläche und deswegen haben die Alveolen eine fraktale Struktur, die eine Fläche von bis zu 126 Quadratmetern für den Gasaustausch bieten kann! Unsere eigene chemische "Batterie" unterliegt also diesem Oberflächenbedarf.

Abb. 3: Struktur einer Lithium-Sauerstoff-Batterie. Bild: Girishkumar et. al. 2010

Gegenwärtig haben die Entwickler noch mit der niedrigen Anzahl der erreichbaren Ladung-Entladungszyklen zu tun. Auch die maximale Leistung, die aus der Batterie für schnelles Beschleunigen notwendig ist, bleibt durch die aktive chemische Oberfläche der Elektroden limitiert. Für das Elektrolyt wird mit sehr verschiedenen Salzen und Karbonaten experimentiert. Die Chemie des Ganzen ist nicht trivial und die Chemiker selbst haben noch nicht alle Reaktionswege vollständig identifiziert. Für den Aufbau in Abb. 3 gilt:

Die Anode besteht aus einer dünnen Schicht aus Lithium, einer 250 Mikrometer dicken Trennung aus Glasfasern und einer porösen hochflächigen Kathode aus Super P (Super P ist leitungsfähige Kohle mit Graphit, ein Produkt von TIMCAL), Kohle-Partikel gemischt mit R-MnO2 Nanoröhre, die als Katalysator dienen. Alles gleichmäßig verteilt und gebunden an einen 1,6 mm dicken Schaum aus metallischem Nickel als Stromkollektor mit einer PVDF-Bindung.

Girishkumar et. al. 2010

Wie man liest, alles andere als althergebrachte Batterietechnologie. Mit der großen Anzahl der beteiligten "Ingredienzen" steigen auch die chemischen Reaktionswege und der chemische Abbau der Elektroden kann die Integrität der Batterie nachhaltig zerstören. Beim Laden der Batterie sollte beispielsweise nur Sauerstoff produziert werden, aber auch CO2 entweicht, was auf eine chemische Reaktion von Sauerstoff und Kohlenstoff in der Batterie hindeutet. Es ist ein bisschen wie in der Plasmaphysik: Man hat außergewöhnlich energetische chemische Reaktionen gefunden, aber die Umgebung, d.h. der Container selbst, muss diese Reaktionen aushalten können. Auch von der Seite der Lithium-Anode gibt es Probleme, da das Material feine "Dendriten" im Elektrolyt bildet, die den Abstand zur Kathode überbrücken. Das Ergebnis ist ein Kurzschluss.

Ein weiteres technologisches Problem ist die Sauerstoffzufuhr. Wenn der Sauerstoff direkt aus der Luft entnommen wird, können viele andere Gase und Partikel in die Batterie eindringen und zusätzliche unerwünschte Reaktionen verursachen. Deswegen wird mit Filtern experimentiert, die dann nur wenige Gase und keine Verunreinigungen in die Batterie einströmen lassen sollen.

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