Neue Batterien sollen das Elektroauto voranbringen

Elektroauto : Mehr Ausdauer für Elektroautos

Stärker und sicherer: Neue Generation von Feststoffbatterien könnte Lithium-Ionen-Akkus in einigen Jahren ablösen.

Autofahrer sind verwöhnt: Mit einer Tankfüllung Diesel fahren sie bis zu tausend Kilometer weit. Elektromobile können da nicht mithalten. Selbst die High­end-Elektrofahrzeuge schaffen nur etwa 450 Kilometer. Knackpunkt ist die Batterie. Mit neuen Konzepten wollen die Hersteller allerdings in vergleichbare Dimensionen wie der Diesel vorstoßen. Ein Kandidat für den nächsten Schritt bei Elektrofahrzeugen ist die sogenannte Festkörper-Batterie. Sie enthält keinen flüssigen Elektrolyten mehr wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.

Klassische Lithium-Ionen-Batterien sind mittlerweile Standard in fast allen aufladbaren Elektrogeräten, vom Handy über den Akkuschrauber bis zum Auto. Was die Nutzer aber meist nicht wissen: Diese Akkus brauchen ein ausgeklügeltes Ladungsmanagement, damit sich die Batterien nicht zu sehr erwärmen. Lithium-Ionen-Akkus kommen daher mit einer elektronischen Steuerung daher, die mehr als die Hälfte ihres Volumens ausmachen kann. Festkörper-Batterien sollen viel einfacher im Betrieb sein.

Jürgen Janek ist Professor für Physikalische Chemie an der Universität Gießen. Er leitet den Kompetenzcluster FestBatt, der das Potenzial der neuen Batterietypen untersuchen soll. „Wir untersuchen drei verschiedene Materialsysteme für den Elektrolyten“, sagt der Chemiker. Durch den Elektrolyten wandern die elektrischen Ladungsträger der Batterie. Er ist eine der drei zentralen Komponenten des Akkus. Braucht ein Motor Strom, so löst sich am Minuspol ein Lithium-Ion und wandert durch den Elektrolyten Richtung Pluspol. Parallel bewegt sich ein Elektron durch den Stromkreis. Entscheidend ist nun zum Beispiel die Beweglichkeit des Lithium-Ions im Elektrolyten, aber auch an den Grenzflächen zu den Polen, im Fachjargon sind das Anode und Kathode.

Drei Materialsysteme wollen sich die Forscher ansehen: Kunststoffe (Polymere), Keramiken (Oxide) und Schwefel-Phosphate. Bislang sind die meisten Testbatterien mit Festelektrolyt allerdings nicht größer als eine Knopfzelle. Der Weg von der Knopfzelle zu großen Batterien für Fahrzeuge ist ein zentrales Forschungsthema von FestBatt, berichtet Felix Richter von der Unit Gießen.Die heute bekannten Lithium-Ionen-Batterien wurden Anfang der 1990er Jahre vom japanischen Unterhaltungselektronikkonzern Sony vorgestellt. Seither haben Forschung und Entwicklung ihre Energiedichte etwa um den Faktor Vier gesteigert. Und diese wichtige Größe sollen die neuen Festkörper-Batterien wiederum verbessern. „Auch beim Laden könnte die Festkörper-Batterie Vorteile haben“, sagt Chemiker Jürgen Janek. Festkörper-Batterien könnten robuster beim Schnellladen sein, das ist bisher eine Schwäche von Lithium-Ionen-Akkus.

Die drei Materialsysteme für den Festkörperelektrolyten haben Stärken und Schwächen. Polymere sind gut herzustellen, funktionieren aber so richtig erst ab 80 Grad Celsius. Oxide haben zwar eine akzeptable Leitfähigkeit bei Raumtemperatur, sind aber anspruchsvoll zu verarbeitende Keramiken. Die dritte Klasse, die Schwefel-Phosphate, haben eine hohe Leitfähigkeit, lassen sich wahrscheinlich auch gut verarbeiten, haben aber leider keine besonders hohe chemische Stabilität. Schnelle Lösungen sind damit nicht in Sicht. „Eines sollte klar sein“, sagt deshalb Jürgen Janek. „Was heute untersucht wird, kann nicht morgen im Auto sein. Wir reden hier über das Jahr 2030.“

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