Elektroauto: Lithium-Ionen-Batterie - Technik Power-Pack

21.04.2014

Nur ein potenter Energiespeicher kann dem Elektroauto zum Durchbruch verhelfen. Die „Superzelle“ ist noch nicht in Sicht, aber vielversprechende Detaillösungen stehen bereits in den Startlöchern

Nach wie vor kommt der Markt für Elektrofahrzeuge nur zögerlich in Gang. Der Hauptgrund sind die riesigen Probleme mit der Energie-Speicher-Technik.

Derzeit machen unter den automotiv-tauglichen, wiederaufladbaren Akkus die Lithium-Ionen-Batterien das Rennen. Lithium gilt als besonders attraktives Anodenmaterial, weil es im Periodensystem von allen Elementen das größte negative Potenzial besitzt. Folglich lassen sich damit besonders hohe Spannungen erzielen. Ein weiterer Vorteil ist das geringe Gewicht. Ein Lithium-Atom ist nur sieben Mal so schwer wie das leichteste Element im Universum, das Wasserstoffatom.

 

Elektroautos: Speicher und Gewicht immer noch ein Problem

Was das für die Batterien bedeutet, macht folgender Vergleich anschaulich: Würde man ein Auto mit Blei-Akkus für eine Reichweite von 150 Kilometern ausstatten, würde die Batterie insgesamt 900 Kilogramm wiegen.

Mit entsprechender Nickelmetall-Hydrid-Technik käme man auf 500 Kilogramm. Eine Lithium-Ionen-Batterie für die gleiche Reichweite bringt dagegen nur 270 Kilogramm auf die Waage. Aber auch das ist für mobile Anwendungen immer noch viel – zu viel. Mit Hochdruck arbeiten Chemiker und Ingenieure deshalb an neuen Lösungen, bei denen vor allem die Energiedichte erhöht und zugleich das Gewicht reduziert wird.

Doch Hoffnungen auf eine Superzelle, die ähnlich viel Energie wie herkömmliche Kraftstofftanks speichern kann, werden immer wieder enttäuscht. Fortschritte gibt es nur in kleinen Schritten.

So funktionieren im Labor bereits Prototypen wie Lithium-Schwefel-Akkumulatoren, die eine doppelt so hohe Energiedichte wie herkömmliche Systeme aufweisen und ohne teure Schwermetalle wie Kobalt und Nickel  auskommen. Allerdings sind diese Batterien überproportional teuer und haben gravierende Nachteile, unter anderem eine beschränkte Lebensdauer.

Auch funktionale Kriterien – etwa schnelle Energieaufnahme und -abgabe, geringer Zellen-Widerstand und damit Wärmebeständigkeit und Brandsicherheit – sind Themen, an denen Forscher und Techniker fieberhaft arbeiten. Erste Entwicklungserfolge bringen mehr Sicherheit. So startete Evonic die Herstellung eines Separators aus keramischem Material.

Diese hauchdünne Folie zwischen den chemisch aktiven Schichten ist wärmefest und soll sogar gefürchtete Brände nach einer Beschädigung der Zelle vermeiden helfen. Management-Systeme sorgen für Zellen-selektive Lade- und Entlade-Reglung, Temperatur-, Druck- sowie Spannungsüberwachung. Batterie-Heiz- und -Kühlsysteme sorgen für verbesserte Ladungsdurchsätze und lange Lebensdauer.

Kia plant, im Soul EV eine neuartige Li-Io-Batterie des koreanischen Zulieferers SK einzusetzen, die dank eines nickelhaltigen Kathodenwerkstoffs (Nickel-Kobalt-Mangan) eine Energiedichte von 200 Wh/kg erreichen  soll. 

Dem japanischen Unternehmen Sekisui Chemical wiederum soll es gelungen sein, den Energiegehalt von Li-Io-Batterien sogar zu verdreifachen. Grundlagenforscher sammeln erste Erfolge mit Elektroden aus Metallschäumen statt üblicher Folien-Konstruktionen, was das Leistungsgewicht verbessert. Doch  die größten Erwartungen setzen die Batterie-Entwickler in die Lithium-Luft-Batterie (siehe Gallerie). Diese soll eine um 20 Mal höhere Energiedichte bieten und ein deutlich geringeres Gewicht aufweisen als bisherige Akkus.

Holger Ippen

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