Batteriezellen: „Lassen große Chance aus“

Der Umstieg auf E-Mobilität wird politisch mit großem Elan vorangetrieben. Eine Hauptrolle für die Leistung und Lebensdauer von Hybrid- und E-Autos, sowie für die Kosten, spielen die Batteriezellen, so Boschidar Ganev vom Austrian Institute of Technology (AIT) auf dem A3PS-Symposium des Innovationsministeriums Ende 2017 in Wien.

Derzeit haben Europas Autohersteller deutlich schlechtere Karten als ihre Kollegen in Asien oder den USA: Sie sind bei Zellen praktisch komplett von Importen abhängig. Der Marktanteil asiatischer Hersteller beträgt laut Ganev derzeit bei Lithium-Ionen-Zellen mehr als 80 %. Dies könnte für kleinere Autohersteller bedeuten, dass sie künftig gar nicht beliefert werden.

Außerdem hat Europa keinerlei Einfluss auf die Materialauswahl und Eigenschaften der Zellen. Vor allem das zum Großteil im Kongo geförderte Kobalt, das vielfach unter menschen- und umweltverachtenden Bedingungen abgebaut wird und sehr giftig ist, auch beim Recyceln, ist sehr umstritten. Zudem hängt der ökologische Fußabdruck eines E-Autos stark davon ab, mit welchem Strommix die Batterien hergestellt werden. Auch bei der Recycelfähigkeit und der Verwendung von gebrauchten automobilen Lithium-Ionen-Akkus als Heimspeicher will Europa künftig mitreden.

Deshalb wurde von der EU 2015 das Projekt „eCAIMAN“ gestartet, um auch hier eine wettbewerbsfähige Zellproduktion auf die Reihe zu bringen. Projektende ist April 2018.

Die Zellen sollen

• 5 Volt-fähig sein
• ohne Kobalt auskommen
• 270 Wh/kg Energiedichte erreichen
• maximal 200 €/kWh kosten (Batteriekosten)
• in Europa hergestellt werden können.

Als Ersatz für Kobalt wurde für die Kathode Lithium-Manganoxid gewählt, für die Anode Graphit (Advanced Graphite) und als Alternative Zinnoxid.

Die ersten Ergebnisse blieben mit einer Energiedichte von 91 Wh/kg unter den Erwartungen. Auch mit der Stabilität der Elektrolyten hapert es.

Fazit: Die geplanten neuen 5 V-Lithium-Zellen wird es wohl erst Mitte 2020 geben. Für die nächste Generation an europäischen Plug-in-Hybrid- und E-Autos kommen sie somit zu spät. Ein weiteres Problem ist der Preis: Die Konkurrenz ist viel günstiger. Ganev hofft, dass die europäische Zellproduktion bei den Autoherstellern abseits des Preises etwa durch die Kundennähe punkten kann.

Früher dran: die USA

Die USA starteten bereits 1992 ein Batterieforschungsprogramm speziell für Autos. Das aktuelle läuft von 2016 bis 2021. Die ehrgeizigen Ziele, so Tien Q. Duong vom US-Energie-Department, auf der A3PS-Tagung:

• Verdreifachung der Energiedichte auf 500 Wh/kg
• neues Elektrodenmaterial (Lithium-Schwefel sowie Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid)
• mindestens 4,4 Volt
• Schnellladen: 80 % Laden innerhalb von 15 Minuten
• mindestens 1000, besser 1500 Zyklen Lebensdauer
• Batteriekosten für E-Autos bis 2022: 125 $/kWh. Duong hält auch 80 $/kWh für möglich.

In seinem Ausblick sieht Duong viel Potenzial in Lithium-Metall-Batterien (statt Lithium-Ionen), und da in Lithium-Schwefel-Batterien. Als Brückentechnologie auf dem Weg dorthin nennt Duong Festkörper-Batterien, wie sie Bosch vor drei Jahren ankündigte, aber auch Toyota. In Japan arbeite man sehr intensiv daran, jedoch auch in den USA. Bosch kaufte dafür 2015 das kalifornische Start-up SEEO.

Die nächsten 20 bis 30 Jahre werden laut Duong aber weiter Lithium-Ionen-Zellen weltweit dominieren. Lithium-Mangel sieht er keinen. Ab 2019 soll Lithium auch in Österreich abgebaut werden (auf der steirisch-kärntnerischen Koralm).

Das Tesla-Batteriekonzept mit hunderten Consumer-Zellen hält Duong für viel aufwendiger als die von den anderen Herstellern bevorzugten großen automotiven Lithium-Batterien. Auf der A3PS-Tagung riet Duong der Firma Kreisel aus Freistadt, die ihr Batteriekonzept vorstellte, das jenem von Tesla ähnelt, sich umzuorientieren.

Bessere Batterien

CAIMAN Das EU-Projekt soll eine europäische Zellenfertigung anstoßen. Es läuft bis April 2018. Budget: 6,1 Mio. €. Die Zellen sollen frei von Kobalt sein, 5 V schaffen und um 20 % mehr Energie speichern als aktuelle Zellen. Die Zellmodule sollen für Pkw wie Nfz einsetzbar sein, um durch höhere Stückzahlen Kosten zu senken.

Festkörper-Batterien Sie gelten als Zwischenstufe zu Lithium-Metall-Batterien. Sie haben keinen flüssigen Elektrolyten und eine Anode aus reinem Lithium (ohne Graphit), sollen viel sicherer sein, zudem um 75 % kleiner und 50 % leichter als aktuelle Batterien. Derzeit Laborstatus. Vorreiter: Japan, USA.