Elektromobilität

Wird eine Feststoffzelle zum Akku der zukünftigen Elektroautos?

von
Sabrina Lieb

Bei der perfekten Elektroauto-Batterie stehen Entwickler noch immer vor Hürden. Einige Versuche könnten jedoch wegweisend für die Elektromobilität sein.

Die Verkürzung der Ladezeiten ist eine der großen Herausforderungen in der Elektromobilität.
Die Batterie ist der wichtigste Bestandteil im Elektroauto. Foto: Shutterstock / Bartolomiej Pietr

Das erfahren Sie gleich:

  • Weshalb die Akkus in Elektroautos Entwickler noch immer vor große Herausforderungen stellen
  • Wie die Feststoffzelle schon bald in Autobatterien zum Einsatz kommen könnte
  • Warum momentan so viele Forschungsprojekte an der Batterie für zukünftige Elektroautos arbeiten

Wiederaufladbare Energiespeicher sind aus dem digitalen Zeitalter nicht mehr wegzudenken. Geht dem Akku der Saft aus, ist das Szenario zumindest bei Laptop, Smartphone und Tablet nur halb dramatisch. Die nächste Steckdose ist in der Regel schnell gefunden.

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Beim Elektroauto hingegen sieht das schon anders aus: Die Elektromobilität der Zukunft hält für die Entwickler noch viele Hürden bereit. Die größte davon ist zweifellos der Akku. Denn auf diesem Gebiet der Batterietechnik gibt es allenfalls ein paar vielversprechende Ansätze. Einer davon weckt seit Neuestem große Hoffnungen.

Akkus in Elektroautos halten Entwickler auf Trab

Im Elektroauto gehört den Akkus die Zukunft. Dabei ist das Grundprinzip immer das gleiche: Gibt ein Akku Strom ab, wird chemische Energie in elektrische umgewandelt. Wird der Akku wieder aufgeladen, fließen die Elektronen in die Gegenrichtung.

Früher wurden dafür Blei und Bleidioxid verwendet. Später kamen Nickel-Cadmium-Akkus zum Einsatz. In den 90er Jahren verbreitete sich schließlich der Lithium-Ionen-Akku, der sich von allen dahingehenden Innovationen aufgrund seiner hohen Leistungsfähigkeit als Spitzenreiter durchsetze. Und was verhilft dem Akku der Zukunft zum Durchbruch? Vielleicht Solid State Batteries – zu deutsch Feststoffzellen.

Solid State Batterien schon bald in Elektroautos?

Der Name weckt große Hoffnung für die Elektromobilität. Ein Team von der schweizerischen Materialforschungsanstalt Empa und der Universität in Genf hat kürzlich eine neuartige Natrium-Feststoff-Zelle vorgestellt. Die größte Neuerung an dem Prinzip ist, dass die Forscher hier einen festen Elektrolyt benutzen anstelle wie bisher einen flüssigen.

Wir benötigten jedoch noch einen geeigneten festen Ionenleiter, der chemisch sowie thermisch stabil und nicht toxisch ist. Er sollte ausserdem den Transport des Natriums von der Anode zur Kathode ermöglichen.

Prof. Hans Hagemann, Uni Genf

Diese Komponente findet sich in jeder Batterie und hat die Funktion, den Plus- und Minuspol gleichzeitig räumlich zu trennen und zu verbinden. Dabei darf es einerseits keinen Kurzschluss geben. Andererseits müssen die Träger der positiven Ladung, also die Natrium- oder Lithium-Ionen, im Batterie-Inneren von der einen zur anderen Seite gelangen.

In den üblichen Batterien erledigt diese Trennung eine flüssige Schicht. Worin besteht nun der Vorteil eines festen Materials? Laut den Forschern kann diese Festschicht viel dünner sein als eine Flüssigkeit und so den Anteil „toten“ Gewichts in der Batteriezelle reduzieren. Das Ergebnis: Die Batterie speichert bei gleichem Gewicht und Volumen deutlich mehr Energie, die Energiedichte steigt.

Und auch am Fraunhofer Institut arbeiten Forscher am Festkörper-Akku der Zukunft.

Elektromobilität und die Suche nach der Wunderbatterie

Eine feste Trennung könnte auch die Lebensdauer und die Sicherheit von Batterien verbessern. So ist der flüssige Elektrolyt zwar die große Stärke, aber zugleich auch Achillesferse der konventionellen Lithium-Ionen-Zellen. Er erreicht alle Hohlräume und garantiert den Ionen-Fluss, allerdings ist er auch brennbar.

Deshalb muss die Steuerelektronik zu große Ströme und zu hohe Temperaturen verhindern. Das jedoch begrenzt wiederum die Ladegeschwindigkeit. Würde nun jedoch die flüssige Trennschicht durch einen Festkörper ersetzt, ließe sich auch der Stromspeicher anders betreiben.

Noch stehen die Experten vor der Herausforderung, ein geeignetes Trennmaterial zu finden. Derzeit stehen Glas, Keramik, Schwefel-Verbindungen oder Polymer auf der Agenda. Sollte dies gelingen, wäre das ein gewaltiger Erfolg für die Mobilität der Zukunft, der Elektroautos zum großen Durchbruch verhelfen würde. Mehr Leistung verspricht auch die Nanotechnologie für die Elektroauto-Batterie – etwa des kalifornischen Start-ups Sila Nanotechnologies.

John Goodenough
John Goodenough gilt als Erfinder der Lithium-Ionen-Batterie. Foto: picture alliance / AP Photo

Akku für Elektroautos – kommt die Lösung aus Texas?

Ein weiterer Meilenstein wäre es, wenn auch die Energiedichte höher läge als bei herkömmlichen Akkus. Erste Ansätze dazu gibt es bislang nur im Labor, allerdings ist ein Expertenteam von der University of Texas in Austin nah dran. Für ihre Ideen haben die beiden Wissenschaftler Maria Braga und John B. Goodenough einen Festkörperelektrolyten aus Glas aus Portugal mitgebracht.

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Das dünne Glas misst gerade mal 60 Mikrometer (1 Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter) und ist mit einer Anode – dem positiven Pol einer Elektrode – aus metallischem Lithium beschichtet. Der negative Pol – die Kathode – hingegen enthält Schwefel und Ruß. Zwar haben die Forscher bislang nur eine Knopfzelle zusammengebaut, doch laut den Entwicklern hat sie – im Vergleich zu herkömmlichen Batterien – die dreifache Energiedichte und lässt sich binnen Minuten laden. Eine ähnliche Möglichkeit des schnellen Ladens verspricht auch der Silizium-Akku der Uni Kiel.

Noch sind die Reaktionen auf die Veröffentlichungen verhalten, schließlich konnte noch niemand den Versuch der Experten reproduzieren. In nächster Zeit muss daher zunächst das Funktionsprinzip der vermeintlichen Wunderbatterie noch besser verstanden werden. Dann wird sich auch zeigen, ob die neue Batterietechnologie auch in der Elektromobilität zum Tragen kommt.

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