E-Mobilität: Energie für graue Zellen

Im Auto müssen Batterien viel höhere Anforderungen erfüllen als in Handys oder Laptops. Zudem sind für Elektro- und Hybridautos völlig verschiedene Batteriesysteme gefragt.

Anforderungen Am wichtigsten für Elektroautos sind eine möglichst hohe
- Energiedichte (mehr als 140 Wh/kg)
- Lebensdauer (je nach Hersteller drei bis 10 Jahre, 150.000 bis 300.000 km Fahrleistung) und
- Zyklenstabilität (1500 bis 2000 Vollladezyklen).

Die höchste Energiedichte wird derzeit mit Lithium-Systemen erreicht. Vorteil: Für die gleiche Reichweite braucht man weniger Akkus. Damit sind Lithium-Batterien erste Wahl für E-Mobile. Die bei uns erhältlichen, etwa der Think, fahren derzeit aber fast unisono mit Zebra-Batterien (siehe Tabelle als Download). Diese haben eine vergleichsweise gute Energiedichte, brauchen aber rund 5 % ihrer Energie, um ihre Temperatur (300 C) zu halten.
Für Hybridautos, wo es vor allem um Zyklenfestigkeit geht, gefordert sind mehr als 1 Mio. Ladezyklen wegen des häufigen Entladens und rekuperativen Ladens (der zurückgewonnenen Bremsenergie), dürfte es aus Kostengründen auch weiterhin Nickelmetallhydrid-Batterien geben (Toyota Prius, Honda Insight, BMW X6 Hybrid).

Materialien Bei den Lithium-Akkus wird zumindest eine Verdoppelung der Energiedichte angestrebt - ohne Sicherheit, Zyklenfestigkeit, Kosten und Giftigkeit zu verschlechtern. Die attraktivsten Ansätze gibt es mit den Kathoden Lithium-Titanat, Li-Cobaltoxid, Li-Schwefel, Li-Nickel-Cobalt und Li-Eisenphosphat.
Wenig attraktiv ist die Variante Li-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid, die in Laptops eingebaut wurde und sich als brandgefährlich erwies. Noch im Forschungsstadium ist die Lithium-Luft-Batterie, die eine mehr als zehn Mal höhere Energiedichte als die Lithium-Ionen-Batterie aufweist, aber derzeit nicht wieder aufladbar ist (Kurzschlussgefahr). Ein Serienstart vor 2020 ist unwahrscheinlich, da es laut Bosch dafür noch kein Grundlagenpatent gibt. Vom Patent bis zur Batterieentwicklung dauert es, so Bosch, acht bis zehn Jahre. Eine Batterieentwicklung koste 150 Millionen Euro.
Geforscht wird auch an unterschiedlichen Anoden. Hier konzentriert sich die Auswahl auf Grafit, Grafit-Hard Carbon, Hard Carbon und Titanat. Laut Bosch dürfte Grafit noch lange bleiben, da die Alternativen keine guten Standzeiten erlauben.
Um sich das lange Laden zu sparen, hoffen viele auf "betankbare" Varianten (Redox-Flow). Ihre geringe Energiedichte (50 Wh/kg) macht sie jedoch für E-Autos uninteressant. So "einfach wie Sprittanken" ist das Nachfüllen ohnehin nicht .

Lebensdauer Sie wird sehr stark von der Temperatur bestimmt. Lithium-Akkus lieben ähnliche Temperaturen wie Menschen, 20 bis 45 C. Niedrigere Temperaturen mindern die Leistung, höhere die Lebensdauer. Luft- oder Wasserkühlung sorgen für den Ausgleich.
"Tödlich" sind Überladung (über 80 %) und Tiefentladung (unter 30 % Ladezustand, je nach Temperatur). Nötig ist neben einer exakten Batterieüberwachung auch, dass alle Zellen über die gesamte Lebensdauer die gleichen Eigenschaften aufweisen.

Sicherheit Neben der Batterieüberwachung ist eine zellinterne Stromunterbrechung bei Überladung unabdingbar, um eine gefährliche Kurzschlussreaktion (Kettenreaktion) wie sie in den Laptops passierte, zu vermeiden. Wichtig sind weiters vor allem eine absolut saubere Produktion, um Wechsel-Kontaminationen zu vermeiden und sehr saubere Materialien.

Kosten Die Batterien werden die nächsten Jahre die teuerste Komponente von E-Autos bleiben. Derzeit kostet die kWh rund 500 Euro, bis 2015 hält Bosch die kWh um 350 Euro für möglich. Voraussetzung ist eine hohe Produktionszahl (500.000). Eine 35-kWh-Batterie für 200 km Reichweite mit einem Kompaktauto würde dann 12.000 Euro kosten. Zum Vergleich: In einem Kilo Benzin steckt die Energie von 12 kWh.

Rohstoffe Derzeit beträgt die weltweite Fertigungskapazität von Lithium-Ionen-Akkus für Konsumartikel 4 Milliarden Amperestunden pro Jahr, was für 700.000 kleine E-Autos mit 20-kWh-Batterien reichen würde.
Bei mehreren Mio. Elektro- und Hybridautos hätte dies große Auswirkungen auf die Rohstofflage, vor allem bei Lithium, Aluminium, Kupfer, aber auch seltene Erden. Europäische Hersteller beziehen Lithium derzeit vor allem aus Chile. Versorgungsengpässe sieht man nicht, Preisexplosionen fürchtet man. Die Gewinnung von seltenen Erden außerhalb von China ist erst wieder im Aufbau (z. B. in Kanada).

Recycling Dieses steckt bei Lithium-Akkus noch in den Kinderschuhen.

Produktion

Lithium-Batterien Derzeit schießen weltweit Fertigungsstätten für automotive Lithium-Zellen und -Batterien aus dem Boden. Nach Auslaufen der Förderungen erwartet Bosch eine Marktkonzentration wie im Consumer-Bereich. Dort haben die zwei größten, Sony und Samsung SDI, 52 % Marktanteil, die fünf Größten 80 %.

Aufholjagd Diese Abhängigkeit versucht Deutschland im Autobereich zu verringern, wobei die Zellen meist zugekauft, die Akkus daraus vom Autohersteller gemacht werden. Bosch hat für automotive Lithium-Zellen mit Samsung das Joint-Venture "SB Li Motive" gegründet. 2011 soll die Großserienfertigung in Korea starten, 2012 die Kapazität auf Zellen für 20.000 E-Autos erhöht werden, etwa für den E-BMW (Megacity-Vehicle). Die Akkus daraus macht BMW selbst. Ebenso VW, die Zellen liefert u. a. Sanyo. Conti baut Lithium-Akkus (15.000 für Hybridautos) mit zugekauften Zellen. Daimler hat das Joint-Venture "Li-Tec" mit Evonik, das ab 2011 Zellen und Akkus in Sachsen herstellen wird. Stückzahl: "flexibel".