Bei all den Diskussionen rund um Elektrofahrzeuge kann man leicht eine erstaunliche, aber wichtige Tatsache aus den Augen verlieren: Wir befinden uns noch in der Anfangsphase des Antriebsstrangs für Elektrofahrzeuge.
Nehmen wir als Vergleich das Mobiltelefon. Die ursprünglichen Motorola-Klinkertelefone aus der Mitte der 1980er Jahre wogen fast ein Kilogramm, brauchten zehn Stunden zum Aufladen und man konnte nur etwa 10 Minuten lang telefonieren, bevor der Akku leer war.
Das iPhone 15 wiegt weniger als ein Viertelkilo, ist in anderthalb Stunden vollständig aufgeladen und ermöglicht laut Tests rund 25 Stunden ununterbrochenes Chatten. Hinzu kommt die enorme Rechenleistung, die man mit sich herumträgt, der sofortige Zugriff auf alle Informationen der Welt, die Möglichkeit, das Mittagessen in Pixelperfektion und als 4K-Video aufzunehmen und den neuesten Deadpool-Film zu streamen.
Okay, es sind zwar 40 Jahre vergangen, aber Sie verstehen, worum es geht. Und vergessen Sie nicht, dass der technologische Fortschritt heutzutage exponentiell zunimmt.
Lithium-Ionen-Batterien werden besser
Lithium-Ionen-Batterien dominieren derzeit den Markt für Elektrofahrzeuge. Sie basieren jedoch auf seltenen Metallen, die in teuren und umweltschädlichen Bergbauprozessen aus der Erde gewonnen werden. Sie belasten unsere Fahrzeuge, können sich im Laufe der Jahre abnutzen, benötigen viel Zeit zum Aufladen, verwenden brennbare Elektrolyte und sind bei Beschädigung anfällig für Brände durch thermische Instabilität.
Man kann sich vorstellen, dass sich Ingenieure in 40 Jahren fragen werden, warum wir jemals so primitive Energiespeicher verwendet haben. Dennoch hat es Verbesserungen gegeben. 2010 lag die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien bei etwa 150 Wh/kg, heute ist sie etwa doppelt so hoch – das bedeutet mehr gespeicherte Energie, also mehr Leistung und größere Reichweite.
Wir haben bereits Fahrzeuge, die mit einer einzigen Ladung 500 Kilometer oder mehr zurücklegen können – vor zehn Jahren waren es noch knapp 150 Kilometer – und die Ladezeit beträgt in der Regel nur noch etwa 30 Minuten. Fortschritte in der Batteriechemie, der Struktur und dem Gehäuse haben Lithium-Ionen-Akkus sicherer und langlebiger gemacht.
Darüber hinaus werden Siliziumanoden als Ersatz für Graphitanoden entwickelt, da sie eine viel größere Kapazität zur Speicherung von echten Lithiumionen aufweisen, theoretisch bis zu zehnmal mehr!
Es steht außer Frage, dass diese Batterien in den nächsten Monaten und Jahren deutlich weiter verbessert werden. Im Wettlauf um die Batterieeffizienz ergeben sich jedoch auch spannende neue Optionen!
Natrium ist weltweit leicht verfügbar. Die Natrium-Ionen-Batterietechnologie ist im Aufwind. Sie kommt ohne Seltenerdmetalle aus.
Natrium-Ionen-Batterien verfügen über reichlich vorhandene Ressourcen
Natrium ist das siebthäufigste Element auf der Erde – und günstiger! Natrium-Ionen-Batterien benötigen zudem weder Kobalt noch Nickel (seltene Metalle, deren Gewinnung ethische und ökologische Bedenken aufwirft).
Das Laden geht schneller, da sich Natriumionen schneller durch den Elektrolyten bewegen. Es wird behauptet, dass die Batterien in nur 80–10 Minuten auf 15 % ihrer Kapazität geladen werden können. Sie sind außerdem thermisch stabiler, was das Risiko von Überhitzung und Bränden verringert.
Ihre Energiedichte ist jedoch geringer als die von Lithium-Ionen-Batterien. Dadurch sind sie im Vergleich zur gespeicherten Energie schwerer und sperriger, was potenziell eine geringere Reichweite bedeutet. Die Lebensdauer könnte sich zudem verkürzen, da Anodenmaterialien wie Hartkohlenstoff schneller abbauen.
Dennoch werden kontinuierliche Fortschritte in Forschung und Entwicklung die Reichweite und Haltbarkeit verbessern und die ersten Elektroautos mit Natrium-Ionen-Batterien sind in China bereits in Produktion gegangen und werden von Yiwei und JMEV hergestellt.
Ein Mitarbeiter im Labor von QuantumScape. Das Unternehmen ist ein Pionier auf dem Gebiet der Festkörperbatterien für Elektrofahrzeuge.
Solider Stand der Dinge
Könnten Festkörperbatterien der nächste große Trend sein? Der feste Elektrolyt anstelle einer Flüssigkeit oder eines Gels ist nicht brennbar und verringert die Brandgefahr. Der Elektrolyt selbst kann daher aus verschiedenen Materialien wie Keramik und Polymeren hergestellt werden.
Dadurch kann die Energiedichte zwei- bis dreimal höher sein, was die Batterie kleiner und leichter macht und Reichweiten von über 1,000 km mit einer einzigen Ladung ermöglicht! Sie lassen sich außerdem deutlich schneller laden und halten länger, da sie weniger anfällig für den Verschleiß sind, den Lithium-Ionen-Batterien aufweisen.
Klingt perfekt, oder? Allerdings sind die Materialien und der Herstellungsprozess komplexer und teurer, und manche Festelektrolyte weisen bei niedrigen Temperaturen eine schlechte Leistung auf, was an einem kalten Wintertag nicht ideal ist. Sie sind außerdem noch nicht verfügbar und werden wahrscheinlich erst in einigen Jahren verfügbar sein.
Allerdings liefern sich mehrere Hersteller ein Wettrennen um die Marktführerschaft. Vor allem die Japaner scheinen hier die Nase vorn zu haben: Toyota, Honda und Nissan versprechen die neue Batterietechnologie bis spätestens 2028. Weitere Unternehmen sind Ford, BMW und Volkswagen, das das Start-up QuantumScape bei der Markteinführung von Festkörperbatterien unterstützt.
Es ist möglich, dass wir diese neuen Batterien bereits ab 2026 in einigen Luxusautos der Spitzenklasse sehen werden.
Der Rest: Von Magnesium bis Graphen
Lithium-Schwefel-Batterien verwenden reichlich Schwefel und verfügen über eine gute Energiedichte. Allerdings haben sie eine kürzere Lebensdauer und die Bildung von Polysulfiden verringert mit der Zeit die Effizienz.
Aluminiumionen verwenden Aluminium als Anode. Es ist nicht nur das am häufigsten vorkommende Metall, sondern die Batterien neigen auch weniger zur Überhitzung. Die Suche nach einem geeigneten Elektrolyten ist jedoch eine Herausforderung.
Magnesium-Ionen-Batterien verwenden Magnesium als Anode, das doppelt positiv geladen ist und mehr Energie speichern kann. Das Material ist reichlich vorhanden und sicherer in der Anwendung, allerdings gibt es auch hier ein Problem mit entsprechend kompatiblen Elektrolyten.
Graphenbatterien bestehen aus einer einzelnen Schicht Kohlenstoffatomen, die in einem zweidimensionalen Wabengitter angeordnet sind. Sie verfügen über eine außergewöhnliche Leitfähigkeit für schnellere Ladegeschwindigkeiten, die Herstellung von Graphen ist jedoch teuer und komplex.
Batterien in Mänteln
Während der Gedanke an Batterien in Mänteln Bilder von in Pufferjacken verpackten Zellen heraufbeschwört, handelt es sich dabei tatsächlich um Beschichtungen aus fortschrittlichen Materialien, die auf Batteriekomponenten aufgebracht werden. Diese sollen Leistung, Langlebigkeit und Sicherheit verbessern.
In Lithium-Ionen-Batterien können sie Elektroden vor Degradation schützen, während sie in Natrium-Ionen-Batterien die Elektrodenmaterialien stabilisieren, die Leitfähigkeit erhöhen und die thermische Stabilität verbessern. Auch in Festkörperbatterien verbessern sie die Schnittstelle zwischen Festelektrolyt und Elektroden und erhöhen so die Energiedichte und Sicherheit zusätzlich.
Es ist zwar noch unklar, welche dieser neuen Technologien sich durchsetzen wird, und tatsächlich könnten es mehrere sein, die Elektrofahrzeuge in Zukunft vorantreiben. Klar ist jedoch, wie schnell sich der technologische Fortschritt bei Elektrofahrzeugantrieben entwickelt. Dies bedeutet auch, dass bald massive Verbesserungen bei Haltbarkeit, Sicherheit, Ladezeiten und Reichweite möglich sein werden.
