Elektromobilität

Die Batterie beim Elektroauto: Hersteller, Typen, Technik

von Peter Michaely

Das Herz eines Elektroautos, das ist seine Batterie. Aber wo kommt die eigentlich her – und welche Technik steckt dahinter? Wir erklären alles Wichtige.

Elektroautos verschiedener Marken laden an öffentliche Ladesäulen.
Diese Autos suchen Anschluss: Bei Elektroautos entfällt 40 Prozent der Wertschöpfung auf die Batterie. Höchste Zeit, sich mit ihr intensiver zu beschäftigen. Foto: Shutterstock/Scharfsinn

Das erfahren Sie gleich:

  • Die Hersteller: Wo kommen Elektroauto-Batterien her?
  • Die Typen: Welche Batterien für Elektroautos gibt es?
  • Die Technik: Wie funktioniert eine Lithium-Ionen-Zelle?
  • Die Zukunft: Wie sieht der Akku von morgen aus?

Allein die Zahlen sagen schon aus, welche Bedeutung die Batterie für die Elektromobilität hat: 40 Prozent der Wertschöpfung beim E-Auto entfallen laut VW-Betriebsratschef Bernd Osterloh auf den Akku.

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Und die Strategieberatungsgesellschaft Deloitte geht davon aus, dass das Marktvolumen für Batterien und Brennstoffzellen allein in Deutschland, China, Nordamerika und Mexiko von heute 5,5 Milliarden Euro bis 2025 auf über 81 Milliarden Euro anwächst.

Und doch ist erstaunlich wenig über den Akku bekannt. Das wollen wir ändern – und beantworten die wichtigsten Fragen rund um die Batterie im Elektroauto.

Welches Land dominiert den Batterie-Markt?

Grundsätzlich muss man unterscheiden zwischen der Zellfertigung und der Zusammenfassung von Zellen zu Akkus und Batteriesystemen. Bei der Zellfertigung erreichen nach einer Studie von Roland Berger bis 2019 folgende Hersteller die höchsten Marktanteile:

  • Panasonic/Sanyo (Japan) 29 Prozent Marktanteil
  • LG Chem (Südkorea) 21
  • BYD (China) 9
  • CATL (China) 9
  • Samsung (Südkorea) 6
  • Lishen (China) 6
  • Wanxiang (China) 5

Für die Hersteller kompletter Batterien hat das Beratungsunternehmen IHS Markit folgende Marktanteile ermittelt:

  • Panasonic (Japan) 19,6 Prozent Marktanteil
  • Automotive Energy Supply (Japan) 15,1
  • LG Chem (Südkorea) 13,1
  • Samsung SDI (Südkorea) 11,5
  • Aviation Lithium Battery (China) 7,3
  • Long Powers (China) 6,1

Wo steht Deutschland bei der Herstellung von Batterien für Elektroautos?

In Deutschland werden mittlerweile keine Batteriezellen mehr produziert. Als letztes Unternehmen hat die Firma EAS aus dem thüringischen Nordhausen im Sommer 2017 Insolvenz angemeldet. Viele Experten und auch die Gewerkschaften betrachten diese Entwicklung als fatalen Rückschritt.

Doch Deutschland könnte bald wieder aufholen: Das Konsortium TerraE plant, bis Ende 2019 eine Akkufertigung in der Bundesrepublik aufzubauen. Bis 2028 soll die Kapazität so ausgedehnt werden, dass pro Jahr Zellen und komplette Akkus mit insgesamt 34 Gigawattstunden hergestellt werden können – genug für etwa 350.000 reichweitenstarke Elektroautos.

Auch CATL strebt eine Expansion Richtung Deutschland an. Der größte Batterieproduzent Chinas plant derzeit eine Batteriezellen-Fertigung in Erfurt zu errichten. Wann genau also in Thüringen wieder Batterien für Elektroautos gebaut werden, steht gegenwärtig (Stand: Mitte Juni) aber noch nicht fest. Das mitteldeutsche Bundesland investiert bereits in mehreren Bereichen verstärkt in die Elektromobilität.

Deutsche Firmen beteiligen sich an Lithiumförderung

Das chemische Element Lithium ist die Grundlage für moderne Akkus. Der Stoff kommt in vielen Bereichen zum Einsatz, etwa im Smartphone, in Kameras und im Auto. Zu den führenden Ländern bei der Förderung gehören Chile, Australien und China.

Die größten Reserven stecken allerdings in einem anderen Land: Bolivien. Dort soll es laut einer Schätzung vom März 2018 rund 9 Millionen Tonnen des wertvollen Materials geben. In den kommenden Jahren planen Firmen aus aller Welt den Abbau. Mit dabei ist auch Deutschland.

Ein Konsortium bestehend aus den Firmen ACI Systems und K-Utec arbeitet dafür mit dem bolivianischen Staatsunternehmen YBL zusammen. Die Partnerschaft soll beiden Ländern in wirtschaftlicher Hinsicht von Nutzen sein. Für die Weiterverarbeitung ist eine Fabrik vor Ort geplant. Die könnte dann auch Automobilkonzerne beliefern. Sie beziehen ihre Batterien bisher aus unterschiedlichen Quellen.

Welcher Batteriehersteller beliefert welche Autokonzerne?

  • Panasonic liefert Akkus für das Tesla Model S. Allerdings baut Tesla-Chef Elon Musk mit seiner Gigafactory eine eigene Batteriefertigung auf
  • Samsung steuert die Akkus für den BMW i3 bei
  • LG Chem hat Verträge mit Herstellern wie Audi, Renault und SAIC Motor aus China geschlossen

Fazit Hersteller: Das Herz eines Elektroautos, der Akku – er kommt derzeit aus Asien. Hersteller aus Japan, China und Südkorea teilen sich den Markt untereinander auf. Doch 2019 könnte es wieder eine Batteriefertigung in Deutschland geben.

Die Typen: Welche Batterie für welches Elektroauto?

Derzeit beherrschen Lithium-Ionen-Akkus den Markt für E-Autos. Neben einer großen Energiedichte bei geringem Gewicht überzeugen sie durch ihren langen Lebenszyklus.

"Wir glauben fest daran, dass das Thema Lithium-Ionen uns noch lange Zeit beschäftigen wird, sind aber durchaus offen, auch alternative Technologien zu untersuchen", so Dr. Peter Bieker und Dr. Tobias Placke vom Batterieforschungszentrum MEET der Universität Münster (Münster Electrochemical Energy Technology) gegenüber Deutschlandradio.

Momentan versuchen Forscher vor allem, die Elektroden der E-Auto-Akkus zu verbessern. Stichwort Anode: Sie besteht derzeit meistens aus Graphit, während das leistungsfähigere Silizium zu einer Erhöhung der Energiedichte und damit der Reichweite beitragen könnte. Experten gehen davon aus, dass aus technischen Gründen bis zu 20 Gewichtsprozent Silizium realistisch sind.

Ein weiterer Ansatzpunkt ist die Elektrolyt-Lösung, eine hoch brennbare Flüssigkeit, vor allem in Reaktion mit Lithium. Deshalb arbeiten Forscher bereits an der Entwicklung von pulverförmigem Ersatz, der auch die Sicherheit von Elektrofahrzeugen bei Unfällen und ihre Reichweite deutlich verbessern könnte.

Das US-Unternehmen CCCV präsentierte auf der Konferenz NY Best 2018 eine weitere Alternative mit der Technik. Die Batteriezellen der Firma sollen zu 80 Prozent aus Festelektrolyt bestehen. Dadurch ergebe sich ein halbfester Zustand der Zellen. Als einen der großen Vorteile der Technologie gibt CCCV die erreichte Energiedichte an. Die soll bis zu 700 Wh pro Liter betragen. Damit ausgestattete Autos könnten mit kleineren Batterien eine höhere Reichweite schaffen. Auf teures Kobalt sind die Batterien nicht angewiesen.

Neueste Forschungen konzentrieren sich auf Lithium-Schwefel-Akkus, die ein Zehnfaches der Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie schaffen sollen, allerdings deutlich größer sind und daher in Elektroautos Platzprobleme verursachen könnten. Von Lithium-Luft-Akkus wiederum versprechen sich Forscher eine 20-mal höhere Energiedichte als von ihren Lithium-Ionen-Pendants. Noch hapert es jedoch an ihrer Lebensdauer.

Fazit Typen: Lithium-Ionen-Akkus sind der Stand der Technik und werden auch in den kommenden Jahren den Markt dominieren. Forscher arbeiten aber bereits an leistungsstärkeren Alternativen.

Eine gerade, asphaltierte Landstraße führt durch bewaldetes Gebiet.
Immer weiter, immer weiter: Neue Techniken bei der Fertigung von Batterien werden die Reichweite von Elektroautos weiter erhöhen. Foto: Shutterstock/Rawpixel.com

Die Technik: Wie funktioniert eine Lithium-Ionen-Zelle?

Mehrere tausend Lithium-Ionen-Zellen sind in einem Elektroauto-Akku gebündelt. In den Zellen befinden sich eine Anode und eine Kathode in einer Elektrolyt-Lösung, sodass durch Elektronenwanderung Strom erzeugt werden kann. Derzeit kommen in E-Autos Lithium-Ionen-Batterien mit Kathoden aus kobalthaltigen Lithiumoxiden zum Einsatz, weil diese eine hohe Energiedichte und Kapazität ermöglichen.

Dabei können die Kathoden entweder aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden bestehen oder – wie bei Tesla – aus Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid. Dieser Typ gilt als besonders robust und leistungsfähig.

Darüber hinaus gibt es Akkus mit Kathoden aus Lithium-Eisen-Phosphor-Oxid, die vor allem in China verwendet werden. In älteren Elektroautos bestehen die Kathoden unter Umständen noch aus dem weniger leistungsfähigen Lithium-Mangan-Oxid.

Wie umweltfreundlich ist die Herstellung einer Batterie?

Die Herstellung von Batterien für Elektroautos ist energieintensiv, worunter die Klimabilanz und der ökologische Fußabdruck leiden. Laut einer Studie des schwedischen Umweltministeriums kann ein konventionelles Auto mit Verbrennungsmotor acht Jahre lang gefahren werden, bevor es die Umwelt so stark belastet hat wie die Akkuproduktion für ein Tesla Model S.

Es bedarf eines Paradigmenwechsels in der Rohstoffpolitik.

Bundesverband der Deutschen Industrie

Dabei ist der Stromverbrauch beim Fahren noch gar nicht eingerechnet. Bei kleineren Modellen wie dem Nissan Leaf seien es immer noch rund drei Jahre. Pro Kilowattstunde Speicherkapazität fielen rund 150 bis 200 Kilo Kohlendioxid-Äquivalente an. Umgerechnet auf die Batterien eines Tesla Model S wären das rund 17,5 Tonnen CO2. Das ist enorm viel, betrachtet man den jährlichen Pro-Kopf-Ausstoß an CO2 in Deutschland von rund zehn Tonnen.

Steigende Kobaltpreise und schwindende Vorkommen

Außerdem könnten die Rohstoffe, die bei der Batterieherstellung benötigt werden, knapp werden, wenn immer mehr Elektroautos über die Straßen rollen. Das gilt zum Beispiel für Kobalt, das zu einem Großteil im Kongo im Rahmen von Kinderarbeit abgebaut wird.

Deshalb haben bereits einige Batterie- (z.B. Panasonic) und auch Automobilhersteller (z.B. Tesla) angekündigt, den Einsatz von Kobalt in den nächsten Akku-Generationen zu reduzieren bzw. gänzlich darauf zu verzichten.

Ähnlich bewertet auch der Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI) die Rohstoffsituation im Zusammenhang mit der wachsenden Elektromobilität und gibt deshalb eine Handlungsempfehlung: "Es bedarf eines Paradigmenwechsels in der Rohstoffpolitik."

Anfang Juli 2018 veröffentlichte die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe eine Pressemitteilung, die ebenfalls auf die "Marktrisiken bei der Versorgung mit Kobalt" hinwies.

Denn die exponentielle Nachfrage nach dem Schwermetall lässt nicht nur die Preise rasant ansteigen, sondern könnte auch zu einer Kobalt-Knappheit führen. Das seltene Element ist ein Nebenprodukt der Gewinnung von Nickel- und Kupfererzen.

Der Akku eines Elektroautos beinhaltet durchschnittlich 12 bis 15 kg Kobalt. Und schon heute finden mehr als 40 Prozent des produzierten Kobalts allein für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus Verwendung – nicht nur für E-Autos, sondern auch für Smartphones, Tablets, Laptops etc.

Kein Wunder also, dass die Studie "Rohstoffe für Zukunftstechnologien" errechnet hat, dass sich der Kobaltbedarf bis 2035 für ausgewählte Zukunftstechnologien auf etwa 122.000 Tonnen erhöhen könnte. 2013, also vor gerade mal fünf Jahren, lag der Bedarf noch bei ungefähr 5000 Tonnen.

Die Folgen des wachsende Bedarfs spiegeln sich auch in den Preisen wider: Im April 2016 kostete die Tonne noch etwa 23.000 Dollar. Zwei Jahre später hat sich der Preis fast vervierfacht, auf mehr als 90.000 Dollar.

Weil Kobalt so ein guter Strom- und Wärmeleiter ist, findet er bevorzugt für die Kathoden in Akkus Verwendung. Bislang fehlt es an gleichwertigen Alternativen, die das seltene Metall langfristig ersetzen könnten. Deshalb wird auch die Autoindustrie, die sich verstärkt in Richtung Elektromobilität bewegt, vorerst nicht auf den Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus auf Kobaltbasis verzichten können.

Mittlerweile arbeiten Batterieforscher bereits an nachhaltigeren Alternativen wie Natrium-Ionen-Akkus. Denn im Gegensatz zu Lithium auf Platz 26 rangiert Natrium auf Rang sieben jener Elemente, die am häufigsten in der Erdkruste vorkommen.

Weitere Alternativen, an denen derzeit geforscht werden, sind Magnesium-Schwefel-Zellen und Flusszellenbatterien, bei denen die elektrische Energie in der Elektrolytlösung gespeichert wird. Batterien auf Wasserbasis kommen bereits für Wind- und Solaranlagen zum Einsatz.

"Der langfristige Bedarf an kritischen Rohstoffen wie beispielsweise seltenen Erden verdeutlicht die Problematik der Ressourcenversorgung. Ein effizientes Recycling von ausrangierten E-Autos ist deshalb unabdingbar, um das Rohstoffproblem langfristig in den Griff zu bekommen. Gleichzeitig müssen Batterietechnologien weiterentwickelt werden, um den Materialeinsatz von vornherein gering zu halten", fordert das Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP) in Stuttgart.

Darüber hinaus beeinflussen die Häufigkeit der Nutzung und die Art des getankten Stroms die Umweltbilanz. Laut IBP muss ein Elektroauto in Deutschland derzeit etwa 60.000 Kilometer fahren, um einen ökologischen Vorteil gegenüber einem Benzinfahrzeug zu erreichen. Mit Ökostrom aus Windenergie könnte ein Elektroauto seine Umweltbilanz bereits nach 25.000 Kilometern ausgleichen.

Das IBP fasst zusammen: Nur wenn die Energiewende gelingt und der Strom aus erneuerbaren Energiequellen kommt, wird die Elektromobilität klimafreundlich, denn im Fahrbetrieb selbst stößt ein Elektroauto weder CO2 noch andere Schadstoffe aus.

Wie werden verbrauchte Akkus entsorgt?

Da die E-Mobilität noch in den Kinderschuhen steckt, stellt sich die Frage, wie man künftig mit ausgemusterten Akkus umgehen soll. Ein weltweit einheitliches Rücknahmesystem existiert nämlich noch nicht.

Deshalb gibt es Überlegungen, gebrauchte E-Auto-Akkus als zusammengeschaltete Energiespeicher zur Stabilisierung eines auf Sonnen- und Windenergie basierenden Energiekonzepts zu verwenden. An dieser Lösung arbeitet zum Beispiel BMW mit dem Heizungsbauer Viessmann.

Hat eine Batterie endgültig ausgedient, stellt sich die Frage ihres Recyclings – etwa, um seltene Materialien wie Kobalt zurückzugewinnen und zu verhindern, dass der Akku wie anderer Elektronikschrott in dunklen Kanälen verschwindet.

Das wirkt sich auch positiv auf die Umweltbilanz aus. Experten schätzen, dass vollständig aus recycelten Werkstoffen hergestellte Batterien den Energiebedarf für die Produktion um 50 Prozent reduzieren könnten.

Fazit Technik: Die Technik der Batterien von Elektroautos hängt von knapp werdenden Rohstoffen wie Kobalt ab. Für eine nachhaltige Batterieherstellung ist das Recycling von alten Elektroautos und die Erforschung von neuen Batterietechnologien unabdingbar. Auch die Reichweite von Elektroautos wird dank dieser neuen Technologien weiter steigen.

Die Zukunft: Welche Batterie beerbt den Lithium-Ionen-Akku?

Der Chemiekonzern BASF hat Mitte Juni 2018 in einer Pressemitteilung angekündigt, "eine nächste Stufe in der Effizienz von Kathodenmaterialien erreichen" zu wollen. Denn das Material, aus dem die Kathode in einem Akku besteht, bestimmt dessen Effizienz, Zuverlässigkeit, Kosten, Lebensdauer und die Größe.

Ziel der Forschung soll sein, die höchste Energiedichte im Markt zu erreichen. Und das schon bis 2025. Übersetzt bedeutet das: Die reale Reichweite eines Elektroautos soll sich dadurch von 300 auf 600 Kilometer verdoppeln – und das bei einer einzigen Batterieladung.

Weiterhin heißt es in der Mitteilung von BASF, dass sich durch die angestrebten "Änderungen der chemischen Zusammensetzung, der Morphologie (Form und Struktur) und des Herstellungsprozesses von Kathodenmaterialien" die Lebensdauer der Batterie verdoppeln wird, während sich ihre Größe um die Hälfte verringert. Außerdem, und das dürfte E-Auto-Fahrer besonders freuen, soll sich die Ladezeit auf 15 Minuten verkürzen.

Das Portfolio von BASF im Bereich Batteriematerialien umfasst Nickel-Kobalt-Aluminum-Oxid-Verbindungen (NCA) und Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid-Verbindungen (NCM).

Damit folgt BASF zugleich auch einer Empfehlung des Bundesverbands der Deutschen Industrie (BDI) zur Reduzierung von Kobalt in Akkumulatoren:

"Aufgrund der hohen Konzentration der Kobaltvorkommen auf die politisch instabileren Staaten Kongo und Sambia wird eine verstärkte Forschung in Mangan- und Eisenphosphat-Elektroden und auch in Nickel-Elektroden, die keine beziehungsweise nur geringe Mengen Kobalt enthalten, grundsätzlich empfohlen."

Auch in Kiel wird an neuen Energiespeichern für Elektroautos geforscht. Ein Team aus Wissenschaftlern der Christian-Albrechts-Universität will in einem dreijährigen Forschungsprojekt das Speicherpotenzial von Silizium ausloten und das Halbmetall als Energieträger von morgen etablieren. Neben einer zehnmal höheren Energiedichte ist vor allem die nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit von Silizium als zweithäufigstes Element der Erde ein weiterer Pluspunkt.

Ein erster Prototyp ist bereits im Einsatz und hat schon über 500 Ladevorgänge hinter sich. Für eine vollständige Ladung hat der Silizium-Akku dabei nur 12 Minuten gebraucht – ein Lithium-Ionen-Akku braucht dafür mehr als 20 Mal so lang, nämlich fünf Stunden.

Am Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) setzt man hingegen auf Kohlenstoff und Wasser. Die dort entwickelten Protonen-Batterien sind aufgrund ihrer natürlichen Bestandteile umweltfreundlicher als die bisherigen Lithium-Ionen-Akkus. Aktuell wollen die Wissenschaftler die Leistung und Energiedichte der Protonen-Batterien mittels dünner Kohlenstoffschichten verbessern.

Das Fraunhofer Institut in Würzburg forscht noch bis 2020 an einem Festkörperakku. Im Gegensatz zu den aktuell verbauten Batterien in Elektroautos besitzen Festkörperakkus oder auch Feststoffbatterien einen festen Elektrolyt. Dadurch sind sie unter anderem in ihrer Größe variabel, weil sie nicht gekühlt werden müssen. Gleichzeitig büßen sie aber nichts an ihrer Leistungsdichte ein. Außerdem sind sie nicht entflammbar, was die Gefahr einer Explosion bei einem Unfall minimiert.

Soweit zumindest die Theorie. Aktuell sieht sich das Projektteam noch mit der Herausforderung konfrontiert, die Leitfähigkeit der Elektrolyten zu erhöhen. Gegenwärtig besitzen Festkörper-Elektrolyten noch eine geringere Ionen-Leitfähigkeit als flüssige Elektrolyten.

Fazit Zukunft: Über kurz oder lang führt kein Weg an neuen Energiespeichern vorbei, um die Elektromobilität als langfristige Alternative zu fossil angetriebenen Fahrzeugen zu etablieren. Die Forschung leistet bereits vielerorts Pionierarbeit, häufig gefördert von Politik und Umweltschutz.

Updates

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Welche der vielen Methoden sich letztendlich als die effizienteste durchsetzen wird, ist aber weiterhin die große Unbekannte.

Tipp: Hier lesen Sie, wie Sie bereits heute die Reichweite Ihres Elektroautos vergrößern können.

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