Zurzeit sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren der Standard in der E-Fahrzeugbranche. Durch ihre hohe Energiedichte, die lange Lebensdauer und das geringe Gewicht haben sie sich als die bislang beste Wahl durchgesetzt. Allerdings können die bisherigen Modelle noch nicht mit der Reichweite von Benzin- und Dieselfahrzeugen mithalten. Was die Zukunft für die Batterien in der E-Mobilität bereithält, verrät Ihnen das Magazin von Türkiye Elektrik.
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Die Weiterentwicklung der Lithium-Technologien
Die Gegenwart der Elektroautos liegt in der Lithium-Ionen-Batterie, die Zukunft der E-Mobilität könnte jedoch einem anderen Konzept folgen. So wird zum Beispiel versucht, Lithium mit neuen Materialien zu kombinieren, um die Energiedichte zu erhöhen und die Ladezeiten zu verringern.
Bei der Lithium-Schwefel-Batterie fungiert der Schwefel als Pluspol und reagiert chemisch mit dem Lithium. Somit lässt sich dieses viel dichter packen, was die Kapazitäten des Akkus enorm erhöhen kann, theoretisch sogar bis um das zehnfache. Allerdings steht die Technologie in der Realität noch vor vielen ungelösten Problemen. So ist etwa die Verwendung von reinem Schwefel nicht möglich, da dieser zu instabil ist. Des Weiteren entstehen beim Laden und Entladen durch die Reaktionen Neben- und Zwischenprodukte, welche die Lebensdauer der Batterie verkürzen. Und auch wenn Lithium-Schwefel-Akkumulatoren beim selben Gewicht bereits heute schon eine höhere Speicherkapazität aufweisen als einfache Lithium-Ionen-Batterien, so sind sie dennoch größer und lassen sich daher weitaus schlechter verbauen.
In Lithium-Silizium-Akkus wird die bei herkömmlichen Lithium-Batterien bestehende Graphit-Anode durch eine aus Silizium ersetzt. Dieses kann weitaus mehr Lithiumatome zeitgleich binden, was ein deutlich schnelleres Laden ermöglicht und ebenfalls eine enorme Steigerung der Batteriekapazität bewirken könnte. Letztere kann zurzeit allerdings noch nicht vollständig ausgeschöpft werden: Da die Siliziumanode viele Lithium-Ionen zeitgleich erfasst, dehnt sich das spröde Material bis um das Vierfache aus. Hierdurch kommt es zu Problemen in der strukturellen Integrität. Die Folge: Der Werkstoff zerbricht leicht und die Funktionsfähigkeit sowie die Lebensdauer der Batterie sinken. Die Problemlösung besteht in der Verarbeitung des Siliziums zu Nanodrähten. Hier steht die Forschung jedoch noch ganz am Anfang, weswegen eine baldige Marktreife nicht abzusehen ist.
Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung der E-Auto-Batterien besteht in der Lithium-Luft-Technologie. Hier besteht die zweite Elektrode aus porösem Kohlenstoff, welcher mit Sauerstoff gespeist wird. Bei diesem Akku kann die Energiedichte in der Theorie sogar um das zwanzigfache erhöht werden. Allerdings ist auch hier die Lebensdauer bislang enorm gering. Im Moment wird die Batterie bereits nach wenigen Ladezyklen unbrauchbar.
Die Redox-Flow-Batterie: Elektrolytlösungen statt Lithium
Als Alternative zum Lithium-Ionen-Akku könnte sich die Redox-Flow-Batterie etablieren. Die Zukunft der E-Mobilität läge dann in energiespeichernden Elektrolytflüssigkeiten. Bei der Redox-Flow-Batterie zirkulieren zwei unterschiedlich geladene Reaktionspartner in getrennten Kreisläufen, während in einer galvanischen Zelle zwischen diesen ein Ionenaustausch erfolgt und somit Energie erzeugt wird. Elektrolytflüssigkeiten mit hoher Energiedichte könnten nach diesem Prinzip einfach wie regulärer Kraftstoff „getankt” werden, dabei dennoch emissionsfreies Fahren ermöglichen und nach ihrer Verwendung wiederaufbereitet, sprich neu geladen werden. Der Vorteil gegenüber einem normalen Akkumulator ist hier die höhere Nachhaltigkeit sowie der entfallende Leistungsverlust.
Redox-Flow-Akkus sind allerdings noch Zukunftsmusik. Der Einsatz der Flusszellen in der E-Fahrzeugbranche fand bisher nur bei Prototypen statt und befindet sich noch in den Kinderschuhen. Für Batterie-Forscher gilt es, eine Vielzahl von Problemen zu lösen. Zunächst existiert für Redox-Flow-Batterien noch kein Tankstellennetz. Hier würden Säulen mit vier Tanks und Pumpen benötigt werden, zwei für die aufgeladenen und zwei für die entladenen Elektrolyte, und ebenfalls eine Ladeeinheit, die die aufgebrauchten Flüssigkeiten wieder mit Energie versorgt. Des Weiteren ist die Gesundheits- und Umweltfreundlichkeit der hochenergetischen Elektrolytlösungen umstritten, da diese aufgrund der Geheimhaltungspolitik der momentanen Hersteller nicht von unabhängigen Institutionen kontrolliert werden können. Dies trifft auch auf viele weitere technische Daten der bislang lediglich geplanten Automobilmodelle mit Redox-Flow-Ansatz zu.
Die Magnesium-Batterie: das neue Wunderelement?
Magnesium ist ebenfalls ein sehr vielversprechendes Metall für die Herstellung von Batterien. Die Zukunft der E-Mobilität könnte also auch in der Entwicklung und Verbesserung dieser Energiespeicher liegen. Zwar ist eine Magnesium-Batterie momentan noch etwas schwerer als eine Lithium-Batterie, die Magnesium-Batterie bietet aber eine etwa doppelt so hohe Speicherkapazität pro Gramm und ist deutlich kleiner. Der Nachteil des Gewichts gleicht sich so schnell über die Batteriegröße aus. Außerdem bilden sich bei Magnesium-Akkus keine elektrochemischen Ablagerungen (Dendrite) an den Elektroden, welche Störungen oder Kurzschlüsse verursachen können.
Ein weiterer Vorteil von Magnesium-Batterien ist die hohe Verfügbarkeit des Ausgangsmaterials. Als eines der zehn häufigsten Elemente der Erdkruste kommt das Leichtmetall rund 3.000-mal so häufig vor wie Lithium, was die Rohstoffabhängigkeit der Akku-Produktion drastisch reduziert. Nicht zuletzt lassen sich Magnesium-Akkumulatoren leichter recyceln als Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind also leistungsfähiger, günstiger, sicherer und nachhaltiger.
Trotz ihrer vielen Vorzüge sind Magnesium-Akkus der Lithium-Ionen-Technologie leider noch in wesentlichen Punkten unterlegen. So benötigen sie zum Beispiel deutlich mehr Spannung beim Laden. Die Übertragungsgeschwindigkeiten sind auch noch sehr ausbaufähig. Ihr größter Mangel ist allerdings ihre recht geringe Zyklenfestigkeit und somit Lebensdauer. Bevor die Magnesium-Batterie die Lithium-Ionen-Akkus also ersetzen kann, müssen diese Probleme erst mit neuen Techniken und Weiterentwicklungen behoben werden.
Die Zukunft der Batterien in der E-Mobilität steht noch nicht fest
Es bleibt vorerst abzuwarten, welche der neuen Technologien sich in Zukunft durchsetzt. Vielleicht wird die E-Mobilität weiterhin den Batterien mit Lithium- und Graphit-Elektroden die Treue halten oder es kommt mit den Redox-Flow-Batterien ein gänzlich anderes Konzept zum Tragen. Noch gilt es, eine Reihe von bestehenden Problemen zu lösen. In der Batterie-Technologie schlummert jedenfalls ein großes Potenzial, um Elektrofahrzeuge weiter zu verbessern.
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