Batterien für die Mobilität von morgen

Egal, wie man zu Elektroautos steht und welchen Studien man glaubt: Tatsache ist, dass weltweit an effizienteren und nachhaltigeren Batteriesystemen gearbeitet wird.

In Elektroautos stecken je nach Modell Hunderte separate Batteriezellen. Jede einzelne ist von einem Gehäuse umhüllt. Über Anschlüsse und Leitungen werden sie zu Paketen zusammengefasst, von Sensoren überwacht und mit dem Auto verbunden. Die Batterie ist die teuerste Komponente von Elektroautos: Beim E-Smart beispielsweise macht sie rund ein Drittel des Fahrzeugpreises aus. Auch das Gewicht der Batterien ist nicht ohne: Um Energiemengen von 40 bis 60 kWh zu speichern, wie sie grössere E-Autos benötigen, werden Batteriemodule mit einem Gewicht von rund 320 bis 480 kg verbaut.

An all diesen Kennzahlen, den Reichweiten und den Ladezeiten an öffentlichen Ladesäulen will man arbeiten und sie optimieren. Die Ansätze gehen in unterschiedliche Richtungen und setzen an verschieden Stellen an. Einige Entwicklungen zielen darauf ab, die flüssigen Elektrolyte zu beseitigen. Andere setzen auf alternative Rohstoffe. Allen gemeinsam ist, dass sie Kapazität, Reichweite, Gewicht und Sicherheit zu optimieren versuchen.

Bipolar-Batterien: Totes Gewicht einsparen

Ein Beispiel eines innovativen Ansatzes ist die Bipolar-Batterie. Das Fraunhofer IKTS in Dresden und seine Partner haben unter dem Markennamen Embatt das von der Brennstoffzelle bekannte Bipolar-Prinzip auf die Lithium-Batterie übertragen. Dabei sind einzelne Zellen nicht mehr kleinteilig getrennt nebeneinander aufgereiht, sondern grossflächig direkt übereinandergestapelt. Der gesamte Aufbau für Gehäuse sowie die sonst notwendigen elektrischen Kontakte fallen somit weg und es passen mehr Batteriezellen in ein Auto. Bei gleichem Gewicht ist also eine höhere Kapazität möglich. Die Elektroden der Batterie sind darüber hinaus so konstruiert, dass sie Energie sehr schnell abgeben und wieder aufnehmen können. Das neue Packaging-Konzept soll mittelfristig die Reichweite von Elektroautos auf bis zu 1000 Kilometer steigern.

Mehr Sicherheit dank Festkörperbatterien

Die Empa in Dübendorf und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg haben Anfang Januar 2020 ein vierjähriges gemeinsames Forschungsprojekt gestartet. Ziel ist es, die Basis für eine produktionstaugliche nächste Generation von Antriebsbatterien für Elektroautos zu legen. Anders als heute gebräuchliche Lithium-Ionen-Zellen sollen diese nur noch aus Feststoffen bestehen. Derartige Batteriezellen kommen ohne brennbare flüssige Elektrolyte aus. Sie bringen damit eine deutlich verbesserte Betriebssicherheit. Vorteile bei Baugrösse und Gewicht ergeben sich, weil eine weniger aufwändige Sicherheitskapselung notwendig ist. Bei der Empa liegen die Schwerpunkte in der Entwicklung von Festkörperelektrolyten. Das Fraunhofer ISC steuert sein Know-how in der Verfahrensentwicklung und Batteriezellproduktion bei und fertigt erste Prototypen.

Elektromobilität und Rohstoffe

Das für die Produktion moderner Lithium-Ionen-Batterien benötigte Kobalt stammt mehrheitlich aus dem Kongo, wo der Abbau auch ökologische und gesellschaftliche Probleme verursacht. Daher wird zurzeit intensiv an ressourcen- und umweltschonenderen Möglichkeiten zur Herstellung neuer Batterien geforscht. Das Ziel ist, das Kobalt in den Batterien durch Nickel zu ersetzen. Nickel ist billiger und bietet eine höhere Kapazität als Kobalt, erreicht aber bisher nur eine geringere Lebensdauer. Eine weitere Alternative wäre Eisen, das billig und überall verfügbar wäre. Bei Eisen liegt das Problem aber in der Kapazität, die ein Drittel tiefer liegt als die von Kobalt. 

Günstigere Materialien als Basis

Im Gespräch sind auch Magnesium-Schwefel-Batterien. Dies aus zweierlei Gründen: Erstens sind die Rohstoffe für die Elektroden reichlich und zu günstigen Preisen verfügbar. Zweitens liesse sich mit dieser Technik theoretisch doppelt so viel Energie speichern wie mit Lithium-Ionen-Batterien. Jedoch stehen die Entwicklungen auf diesem Gebiet erst am Anfang. Vor allem fehlt es an geeigneten Elektrolyten für Magnesium.

Auch eine Kombination von Lithium mit Schwefel wird untersucht. Sie hätte den Vorteil, dass die Batterie deutlich leichter wäre als bisher, was sich beispielsweise für den Einsatz in Drohnen eignen würde. Schwefel ist aber nur schwer aktivierbar, bisher ist es den Forschenden nicht gelungen, die theoretisch möglichen Werte in der Praxis zu erreichen.

Eigene Produktion in Europa

Nicht nur die Zusammensetzung der Batterien soll sich ändern, sondern auch die Produktion. Heute liegt diese noch weitgehend in der Hand asiatischer Firmen, die in diesem Bereich seit Jahren aktiv sind und sich auch Abbaurechte an den relevanten Rohstoffen gesichert haben. Die europäischen Autohersteller dagegen haben lange Zeit gezögert, in die Batteriezellenherstellung zu investieren – und liegen deshalb heute gegenüber der Konkurrenz deutlich im Hintertreffen. Mit Unterstützung der EU-Kommission, die sich im Rahmen der European Battery Alliance stark für den Ausbau der Zellfertigungskapazitäten engagiert, soll dieser Rückstand nun aufgeholt werden.

Bei einem dieser Projekte, der Forschungsinitiative www.battery2030.eu, ist auch die Schweiz involviert. Ein Team der Empa koordiniert das Projekt SeNSE, das von der EU-Kommission mit mehr als 10 Millionen Euro gefördert wird. Ziel der Forschungstätigkeiten ist die Entwicklung der «Lithium-Ionen-Batterie der nächsten Generation». Involviert ist dabei auch die Firma Northvolt, derzeit so etwas wie die Speerspitze der europäischen Batterieproduktion. Das schwedische Unternehmen hat 2021 eine erste «Gigafactory» in Schweden in Betrieb genommen. In Kooperation mit Volkswagen soll bis 2023 eine weitere Produktionsstätte in Deutschland entstehen. Damit würde Europa einen wichtigen Schritt machen in Richtung einer eigenständigen und nachhaltigen Batterieproduktion.