Die Batterie macht rasche Fortschritte

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Die Batterie macht rasche Fortschritte

Herzstück der Elektromobilität ist der wiederaufladbare elektrochemische Energiespeicher – der Akkumulator. Er muss den harten Einsatzbedingungen der Mobilität genügen, muss vor allem mechanisch, thermisch und elektrisch stabil sein, auch rüttelfest und explosionssicher. Das (Nach-) Laden muss unkompliziert und gefahrlos möglich sein. Fieberhaft werden derzeit altbekannte Akkumulatorsysteme verbessert und völlig neue Systeme entwickelt. Angriffspunkte sind sowohl die Materialien für die Elektrodenoberflächen und -matrizen, für die Elektrolyten als auch für die Separatoren sowie deren Herstellungsverfahren. Das betrifft sowohl die langerprobte Bleibatterie, die Systeme Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Zink (NiZn) und Nickel-Metallhydrid (NiMH) als auch die »Zebra«-Batterie, eine breite Palette von Lithium-(Li)-Ionen-Akkumulatoren, darunter neuere Entwicklungen, wie Li-Titanat-, Li-Eisenphosphat- und Li-Polymer-Batterien sowie neuere Entwicklungen wie den Li-Luft-Akkumulator.

Lithium-Systeme bieten aus physikochemischer Sicht unschlagbare Vorteile. An ihnen geht kein Weg vorbei.
Li-Ionen-Systeme stehen für höchste Energiedichten (bis über 160 Wh/kg), sehr hohe Wirkungsgrade, sehr hohe spezifische Energie (1.800 W/kg), geringe Selbstentladung und weisen bei entsprechendem Zellmanagement eine hohe Zuverlässigkeit aus. Ihre Standfestigkeit wird bereits bei über 10.000 Zyklen angegeben. Allerdings sind sie immer noch vergleichsweise teuer. Werden sehr hohe Leistungsdichten (1.400 kW/kg) gebraucht, bieten sich Li-Eisen-Phosphat-Systeme (120 Wh/kg) an. Sie punkten durch die Schnellladung auf 90 % der Kapazität innerhalb von fünf Minuten. Wenn sowohl das Li-Metalloxid als auch die andere Elektrode sowie der Elektrolyt/Separator als Folien auf Polymermatrizen hergestellt werden, spricht man vom Li-Polymer-System, das leicht formbar und sehr preiswert ist. Seine spezifische Energie liegen um 3.000 W/kg, seine Energiedichte pro Volumen erreicht Spitzenwerte (300 Wh/l), allerdings belaufen sie sich pro Masse nur im mittleren Bereich (130-200 Wh/kg).

Eifrig wird an der Lithium-Luft-Batterie geforscht, weist sie doch die beste Performance für den mobilen Einsatz auf.
Die künftige Entwicklung bestimmen Metall-Luft-Systeme. Durch den Wegfall einer Elektrode (und deren Ersatz durch Luftsauerstoff ) lässt sich nochmals Gewicht sparen. Bereits die Zink-Luft-Batterie erreicht Energiedichten, die dreimal größer sind als von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Mit dem Markteintritt dieser preiswerten und leistungsfähigen Batterie wird in drei bis fünf Jahren gerechnet. Am attraktivsten erscheint jedoch die Lithium-Luft-Batterie. Sie erreicht die höchsten Energie- (über 450 Wh/kg) und Leistungsdichten. Die bislang erreichten Wirkungsgrade (über 80%) geben Anlass zur Hoffnung, dass es in den nächsten 5 bis 10 Jahren gelingt, das System als leistungsfähigste, wenngleich auch nicht billigste Lösung auf den Markt zu bringen.

Doch der Preis wird weiter fallen. Innerhalb des Jahres 2010 reduzierte sich der Preis von Lithium-Ionen-Batterien bereits um fast zwei Drittel auf 300 EUR/kWh !

Im Wettbewerb um die besten Lösungen werden weitere Kostenreduzierungen eintreten, neue Recyclingverfahren werden das ihre dazu beitragen. Dennoch: Stets werden verschiedene Typen von Akkumulatoren zum Einsatz kommen, je nachdem, welcher Aspekt die wichtigste Rolle spielt: Energiegehalt, Energiedichte, Leistungsdichte, Zyklenzahl, Schnell-Ladung, Umweltverträglichkeit oder Sicherheit – oder aber der Preis, so wie man es heute auch vom Otto-, Diesel- oder Erdgasmotor kennt.

Dr. Dr. Reinhard Löser
BEM-Beirat
reinhard.loeser@t-online.de

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