Dezember 21, 2022

Michael Kausch

Dr. Michael Kausch ist Inhaber der Agentur vibrio und seit vielen Jahren leidenschaftlicher Blogger zu Themen aus Technologie, Wirtschaft, Fotografie, Reise und Digitalkultur.

Smarte Speicher für Stromer: Trends in der Batterieentwicklung

Die Elektromobilität bringt Schwung in die Energiewende und ist einer ihrer Schlüsselfaktoren. Lange Zeit bremste die geringe Reichweite von E-Fahrzeugen und die mangelhafte Ladeinfrastruktur eine breitere gesellschaftliche Akzeptanz. Schritt für Schritt kommt sie aber an: in der Automobilherstellung, in der Fläche und bei den Autofahrern. Die fördernden Treiber dafür sind neben neuen Technologien auch ein zunehmendes Umwelt- und Verantwortungsbewusstsein sowie die Gesetzgebung. Die Politik schnürt Klimaschutzpakete, und Hersteller investieren massiv in ihre Batterieentwicklung. Verschiedene Konzepte stehen am Start.

Die Batterieentwicklung folgt der Elektrifizierung der Mobilität

Technologien und Materialien rund um die E-Mobilität entwickelten sich in den letzten Jahren so erfolgreich, dass die Automobilkonzerne die Herstellung ihrer Verbrenner sukzessive zurückfahren. Die Energiedichte erhöhte sich, der Batteriestrom wurde sehr viel preiswerter. Mit einer einzigen Ladung erreichen E-Autofahrer inzwischen deutlich entferntere Ziele, und auch die Ladeinfrastruktur verbessert sich. Die meisten Alltagsfahrten betreffen ohnehin nur Kurzstrecken, sodass sich die Skepsis abbaut.

Gesetze fördern den Trend: Verbrenner verteuern sich durch höhere Kfz-Steuern, der Staat bietet Anreize wie den Umweltbonus des Bundesamts für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, Großstädte führen Niedrigemissionszonen ein. Einige Länder verbieten den Verkauf von Neuwagen mit Verbrennungsmotoren innerhalb der kommenden zehn Jahre.

Raus aus der Abhängigkeit

Die Batterieproduktion steht jetzt vor einigen Herausforderung:

Der Kostendruck hinsichtlich der Energie-Rohstoffpreise steigt.
Europa kämpft immer wieder mit Materialengpässen und wartet auf Rohstoffe und Komponenten aus dem Ausland.
Steigende Nachfrage durch die wachsende Weltbevölkerung.
Internationale Krisenherde, Kriege und Sanktionen wirken sich aus auf Konsumfreude und Kaufkraft der Konsumenten aus, auf die Produktion und die Logistik.

Europa arbeitet an eigenen Elektromobilitäts-Regionen, um aus der Abhängigkeit von Asien zu kommen, von wo immerhin noch 90 Prozent der hier benötigten Batterien stammen. Die skandinavischen Länder, Deutschland und Osteuropa investieren in neue Fabriken und Anlagen. Emissionen durch die Logistik sollen verringert werden, was zu einer engen, regionalen Zusammenarbeit zwischen Autoherstellern, der Rohstoff verarbeitenden Industrie und Chemiekonzernen führt. Die Fabriken verlangen nach Fläche, erneuerbare Energiequellen und Flexibilität, um die Technologie reaktionsschnell und zukunftsfähig zu halten. Im Anlagen- und Maschinenbau wird ebenfalls mehr Flexibilität verlangt, auch um sehr individuelle Lösungen umsetzen zu können.

Nachhaltigere Batterieherstellung

Für die Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge werden enorme, knappe Ressourcen verbraucht. Der Industrie muss auf alternative Energiegewinnung und neue, kostengünstige Energiespeicherkonzepte setzen. Das erfordert auch den Einsatz neuer Materialien. Die Entwicklung von Hochleistungsbatterien ist komplex. Sollen diese noch dazu umweltschonend und sparsam sein, erfordert dies intensive interdisziplinäre Entwicklungsarbeit.

Aktuell sind Lithium-Ionen-Batterien noch die Lösung schlechthin in der mobilen und stationären Stromversorgung. Sie haben der Elektromobilität den Weg bereitet und sind noch primär im Einsatz. Die kompakten Batterien protzen mit einer ausgezeichneten Energie- und Leistungsdichte. Die extrem begrenzten Rohstoffe Lithium und Kobalt fallen hier leider negativ auf, da ihre Knappheit als auch die Art und Weise ihres Abbaus für viele nicht länger vertretbar sind. Die Lithium-Ionen-Batterien sind momentan aber noch die sichere Bank der E-Mobilität hinsichtlich Betriebsdauer und Reichweite. Bei den Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LFP) besteht die positive Elektrode der Batterie aus Eisenphosphat, nicht aus Kobaltoxid. Sie haben den Vorteil eines guten Preis-Leistungs-Verhältnisses, da sie ohne teure Schwermetalle wie Nickel, Mangan und Kobalt auskommen. Das wiederum trägt zum Umweltschutz bei. Weiterhin punkten sie mit Feuerfestigkeit und einem exzellenten Stromfluss. Nachteil: Die geringe Energiedichte, die man nur mit mehr Zellen und somit mehr Gewicht und Größe ausgleichen kann.

Natrium-Ionen-Batterien könnten der neue Booster für die Industrie sein und diese ergänzen, finden sich aber derzeit noch primär in stationärer Anwendung. Sie haben eine Be- und Entladeeffizienz von über 90 Prozent und liegen von ihrer Leistung im Bereich der LFP. Hier arbeitet die Forschung unter Hochdruck und an diversen Projekten zwischen europäischen Hochschulen und der Industrie, die bereits Interesse aus Asien geweckt haben.

Polymer-basierte Batterien entwickeln den Ansatz der Natrium-Ionen-Batterie bereits weiter. Sie nutzen Polymere als Aktivmaterialien für die Speicherung elektrischer Energie. Diese Batterien lassen sich schnell laden. Es können flexible Elektroden hergestellt werden, durch die eine Batterie in ganz neuen Formen eingesetzt werden kann. Polymer-basierte Batterien verzichten auf Schwermetalle und verbrauchen deutlich weniger Energie. Die Entwicklung neuartiger metallfreier und druckbarer Energiespeicher auf Polymerbasis eröffnen völlig neue Anwendungsmöglichkeiten. Sogar druckbare Dünnfilm-Batterien sind bereits erhältlich und hochinteressant für die Digitalisierung des Gesundheitswesens. Risiken in der Herstellung, bei Fehlbedienung und bei einer Zerstörung reduzieren sich hier ebenfalls. Sie sind weniger toxisch und entflammbar. Das Recycling ist umweltfreundlicher und kostengünstiger.

Die Wasserstofftechnologie rundet die Alternativen ab, die derzeit erforscht und auf Praxistauglichkeit geprüft werden. Lkw für die Langstrecke wären hier ein Anwendungsbeispiel; in der Praxis wird gerade der Mercedes GenH2 Wasserstoff-Lkw getestet. Die „Wasserstoff-Batterie“ speichert Wasserstoff ohne hohen Druck oder Tiefkühlung wie in einem Akku. Eine Speichereinheit wird durch Katalyse immer wieder mit Wasserstoff befüllt und dieser bei Bedarf zurückgewonnen.

Es bleibt spannend, was die Speicherkonzepte der Zukunft bringen und was das für unseren Umgang mit Gefahrgütern nach sich zieht.