Starker Antrieb für das Elektroauto
8. Dezember 2010
Wenn es auf die Bedenken ankommen würde, dann könnten die Forscher ihre Arbeit einstellen und sich ein neues Aufgabengebiet suchen. Zu teuer, zu schwer, ein zu niedriger Energiegehalt und eine zu geringe Reichweite, das sind nur einige der Imageprobleme, mit denen die Batterie im Elektrofahrzeug zu kämpfen hat. Ganz unbegründet sind sie nicht: Gerade mal um die 100 Kilometer kann ein batteriebetriebenes Elektroauto mit einer Ladung zurücklegen, wenn auf Navi, elektrische Fensterheber und Heizung nicht verzichtet werden soll.
Mit einem Verbrennungsmotor konkurrieren kann dieser Antrieb also nicht. Auf der anderen Seite: Kann das ein Ziel sein? Die Energiewende muss nicht nur kommen, sie wird kommen, darin sind sich nicht nur viele Politiker sondern auch zahlreiche Forscher einig. Und das Elektroauto ist eine vielversprechende Option.
Angetrieben werden Elektrofahrzeuge überwiegend mit Lithium-Ionen-Akkus. Die wandeln den zugeführten Strom aus der Steckdose um und speichern ihn in chemischer Form. Beim Entladen, also beim Fahren des Fahrzeuges, wird die chemische Energie in elektrischen Strom zurückgewandelt und dieser treibt den Wagen an. Beim derzeitigen Stand der Technik ist der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien eine gute Wahl: Sie haben eine hohe Energiedichte und versprechen damit in Relation zu anderen Akkutypen eine recht annehmbare Reichweite. Zum Vergleich: Während Lithium-Ionen-Batterien eine Nennspannung um 3,8 Volt aufweisen, liegen Nickel-Metallhybrid-Akkus gerade mal bei einem Drittel davon.
Energiedichte erhöhen
Eine Möglichkeit, um die Energiedichte der zahlreichen Zellen im Akku zu verbessern, könnte sein, den Energiegehalt der Rohstoffe oder die Zellspannung zu steigern. "Ideal wäre es natürlich, beides zu erhöhen", sagt Gerold Neumann von der Firma Dispatch Energy. Doch er könne sich derzeit nur schwer vorstellen, wie das gehen soll, so sein ernüchterndes Fazit.
Ein Grund zum Aufgeben ist das aber nicht. Seit fast 20 Jahren wird an sogenannten Lithium-Sauerstoff-Batterien geforscht - und die versprechen, sollten sie denn irgendwann praxisreif sein, ein enormes Potenzial. Die theoretische Energiedichte dieser Batterien liegt bei einigen tausend Wattstunden pro Kilogramm. Selbst wenn nur ein Zehntel davon tatsächlich umgesetzt würde, käme man auf die drei- bis vierfache Leistung der heutigen Lithium-Ionen-Akkus. Das könnte einige hundert Kilometer Reichweite bedeuten mit einem Auto, das auch in Sachen Innenelektronik voll ausgestattet ist.
Probleme mit der Umgebungsluft
Ein Traum, den es sich nicht nur zu träumen, sondern anzupacken lohnt. Auch wenn die Probleme bei der praktischen Umsetzung groß sind, denn der Haken an der Sache ist die Umgebungsluft. Ähnlich wie bei einer Brennstoffzelle entnimmt das Batteriesystem der Luft Sauerstoff. Der wird anschließend mit dem Lithium umgesetzt und am Ende des Prozesses wieder als Sauerstoff in die Umwelt abgegeben.
Es gibt also eine Schnittstelle mit der Außenwelt und durch die kommen auch allerlei unerwünschte Stoffe ins Batteriesystem. Wasser ist solch ein Eindringling, der dem Zellinnenleben schaden kann, doch auch Stäube und andere Gase gelten als ungebetene Gäste.
Das System ist sozusagen ein exklusiver Club ohne Türsteher. Und der Türsteher muss her: Seine Aufgabe in der Zelle ist es, eine funktionieren Wasserbarriere zu bilden und die Luft vorzubehandeln, also auch zu trocknen und zu reinigen.
Erste Erfolge in zehn Jahren
"Herausforderungen stellen sich da also auf allen Ebenen", sagt Jens Tübke vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie. Weltweit forschen mehrere Gruppen bereits seit Jahren an dieser Technik, doch bis es zur praktischen Umsetzung kommt, wird möglicherweise noch ein Jahrzehnt vergehen, schätzt der Elektrochemiker.
Für Aufsehen hat in letzter Zeit auch eine Technik gesorgt, die auf einer Lithium-Metall-Polymer-Basis beruht und mit der sich die Reichweite der Fahrzeuge möglicherweise deutlich vergrößern lässt. Viele technische Details sind über die Entwicklung der Berliner Firma allerdings nicht bekannt, sagt Gerold Neumann, der bei Lithium-Metall-Batterien prinzipiell skeptisch ist. Bereits vor rund 20 Jahren habe es entsprechende Versuche gegeben, die auf Grund der Sicherheitsrisiken aber eingestellt wurden.
Lösung durch Hybrid-Fahrzeuge
Das Problem dabei ist, dass sich auf der Oberfläche der metallischen Anode Lithium ansetzt. Idealerweise sollte sich das Lithium wie Papier auf der Anode stapeln, doch in der Realität kommt es zu kleinsten mikroskopischen Ungleichmäßigkeiten. Die Folge: Es können sich Dendriten bilden, also haarkleine Nadeln, die im schlimmsten Fall einen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode verursachen. Eine technische Panne, die es zu vermeiden gilt.
Eine realistische Möglichkeit, die Reichweiten von Elektroautos schon bald zu erhöhen, sieht Matthias Vetter vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme daher in elektronischen Hybrid-Fahrzeugen. In Autos also, die sowohl Batterie als auch Brennstoffzelle besitzen. Mit dem batterieelektrischen Antrieb ließen sich dann die kürzeren Strecken zurücklegen, mit der Brennstoffzelle die längeren Distanzen. "Natürlich ist diese Technologie auch in Konkurrenz zu einem hocheffizienten Verbrennungsmotor mit Range-Extender zu sehen", sagt Vetter, doch aus technologischer Sicht eröffne sich die Hybrid-Lösung mit der Brennstoffzelle.
Für die Forscher zählen in Sachen Batterieentwicklung also die Herausforderungen und die sind groß. Auch deshalb sind sich die Experten sicher: Die Elektroautos, die in den nächsten Jahren auf die Straßen kommen, werden mit Lithium-Ionen-Akkus ausgestattet sein. Ihre Prognose: Alle Neuentwicklungen, an denen derzeit geforscht wird, kommen frühestens in der darauffolgenden Generation der Elektroautos zum Einsatz.
Autor: Thomas Gith
Redaktion: Andreas Ziemons