Unter der Haube von Elektrofahrzeugen herrscht ein erbitterter Wettbewerb. Die Weiterentwicklung der Batterietechnologie, um Reichweite und Ladegeschwindigkeit zu verbessern und den Einsatz nicht nachhaltiger Materialien zu minimieren, führt zu einem hitzigen Kampf zwischen Batterie- und Autoherstellern.
Erweiterung der Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien
Die meisten Elektrofahrzeuge nutzen derzeit Lithium-Ionen-Batterien, und das wird voraussichtlich auch noch einige Jahre so bleiben. Dies, obwohl diese keine Spitzenleistung erbringen und seltene Erden wie Lithium und Kobalt erfordern. Zudem neigen sie mit der Zeit zu einer gewissen Abnutzung.
Doch Wissenschaftler der University of Colorado Boulder haben einen neuartigen Ansatz zur Verbesserung der Lebensdauer und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien entdeckt, der erhebliche Fortschritte für Elektrofahrzeuge und Energiespeicherlösungen verspricht.
Mithilfe eines leistungsstarken Röntgengeräts im Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums in Illinois deckte das Forschungsteam die molekularen Mechanismen auf, die im Laufe der Zeit zur Verschlechterung der Batterieleistung beitragen.
Die von Professor Michael Toney vom Fachbereich Chemie- und Bioingenieurwesen der CU Boulder geleitete Forschung ergab, dass Wasserstoffmoleküle aus dem Elektrolyten der Batterie die Bewegung von Lithiumionen zur Kathode behindern, die für die Aufrechterhaltung des elektrischen Stroms unerlässlich ist. Diese Störung führt zu einer verringerten Batteriekapazität – ein bekanntes, aber bisher nicht vollständig verstandenes Phänomen.
Durch detaillierte Analysen entdeckte das Team, dass Wasserstoffmoleküle Stellen an der Kathode besetzen, an denen typischerweise Lithiumionen binden. Dadurch verringert sich die Anzahl der Lithiumionen, die zum elektrischen Strom beitragen können. Die Forscher gehen daher davon aus, dass eine spezielle Beschichtung der Kathode die Batterieleistung deutlich verbessern und die Reichweite von Elektroautos um bis zu 60 % erhöhen könnte.
Dieser Fortschritt ist besonders wichtig für die Elektrofahrzeugbranche, die mit Herausforderungen wie begrenzten Reichweiten, höheren Produktionskosten und einer kürzeren Lebensdauer der aktuellen Batterietechnologie konfrontiert ist. Derzeit kann ein typisches vollelektrisches Fahrzeug mit einer einzigen Ladung etwa 250 Kilometer weit fahren – etwa 60 % der Reichweite von benzinbetriebenen Fahrzeugen.
Da der Verkehrssektor für 28 % der Treibhausgasemissionen verantwortlich ist, ist es dringend erforderlich, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen und ihre Kosten zu senken. Viele Automobilhersteller haben sich verpflichtet, aus Klimaschutzgründen auf die Produktion von Benzinfahrzeugen zu verzichten und die Produktion von Elektrofahrzeugen zu erhöhen.
Ein weiterer Schwerpunkt der CU-Boulder-Studie ist die Reduzierung von Kobalt in Lithium-Ionen-Batterien. Kobalt, ein seltenes und teures Mineral, spielt eine zentrale Rolle in aktuellen Batteriedesigns, wirft aber erhebliche ethische und ökologische Probleme auf. Der Großteil des weltweit geförderten Kobalts stammt aus der Demokratischen Republik Kongo, wo der Abbau mit schweren Menschenrechtsverletzungen, darunter Kinderarbeit, in Verbindung gebracht wird.
Wissenschaftler erforschen Ersatzstoffe wie Nickel und Magnesium für Kobalt. Diese Alternativen weisen jedoch eine noch höhere Selbstentladung auf, was die Suche nach einer nachhaltigen Lösung zusätzlich erschwert.
„Wir tragen zur Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien bei, indem wir die molekularen Prozesse erforschen, die zu ihrem Abbau beitragen“, erklärte Professor Toney. „Eine bessere Batterie ist von entscheidender Bedeutung für die Umstellung unserer Energieinfrastruktur von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen.“
Auch Forscher der Stanford University beschäftigen sich mit der Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien. Ein Team des SLAC-Stanford Battery Center hat gemeinsam mit dem Toyota Research Institute, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Washington eine Studie durchgeführt, um die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien anzupassen und so deren Lebensdauer zu verlängern.
Traditionell umfasst der Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien eine zehnstündige Erstladung mit niedrigem Strom. Dieser Schritt gilt als unerlässlich, um den frühzeitigen Lithiumverlust zu minimieren und so die Gesamtlebensdauer der Batterie zu verlängern. Dieses Verfahren ist jedoch sowohl zeitaufwändig als auch teuer, weshalb Forscher seine Wirksamkeit in Frage stellen und nach Alternativen suchen.
Das von Stanford geleitete Team führte stattdessen ein Experiment durch, bei dem die Batterien nur 20 Minuten lang mit hohem Strom geladen wurden. Diese Methode führte zwar zu einem erheblichen anfänglichen Lithiumverlust, führte jedoch überraschenderweise zu einer bemerkenswerten durchschnittlichen Verlängerung der Lebensdauer der Elektrofahrzeugbatterien um 50 %.
Kohlefaserbatterien?
Forscher der Chalmers Universität in Schweden haben bedeutende Fortschritte bei Strukturbatterien aus Kohlefaser erzielt, die Energiespeicherung mit Tragfähigkeit vereinen. Diese Innovation könnte Elektrofahrzeuge revolutionieren, indem sie Batterien in die Struktur integriert, das Gewicht reduziert und die Energieeffizienz verbessert.
Die neueste Version der Batterie hat eine Energiedichte von 30 Wh/kg und eine mit Aluminium vergleichbare Steifigkeit, die jedoch immer noch geringer ist als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Die Gewichtsreduzierung gleicht dies jedoch aus und erhöht die Reichweite des Elektrofahrzeugs potenziell um bis zu 70 %.
Durch die Integration von Energiespeichern in die Fahrzeugstruktur wird der Bedarf an schweren Komponenten wie Stromkollektoren und Konfliktmetallen wie Kobalt und Mangan minimiert. Dieses Mehrzweckmaterial verbessert Effizienz, Sicherheit und Nachhaltigkeit deutlich. Die Technologie ist die bislang fortschrittlichste auf diesem Gebiet und baut auf Forschungsarbeiten auf, die 2018 begannen, als erstmals gezeigt wurde, dass Kohlefasern als Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien funktionieren.
Strukturbatterien bieten eine spannende Zukunft für Elektroautos, Drohnen und andere Geräte. Sie ermöglichen leichtere und effizientere Designs und unterstützen so den Übergang zu saubereren Energietechnologien. Mit fortschreitender Entwicklung könnten diese Batterien eine entscheidende Rolle bei der Förderung nachhaltiger Mobilität spielen.
Festkörperbatterien
Festkörperbatterien sind eine Technologie der nächsten Generation, die Elektrofahrzeuge revolutionieren wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die flüssige Elektrolyte zur Ladungsübertragung zwischen Anode und Kathode verwenden, nutzen Festkörperbatterien einen festen Elektrolyten. Dieses Design bietet mehrere Vorteile, darunter eine höhere Energiedichte, verbesserte Sicherheit und schnellere Ladezeiten.
Einer der Hauptvorteile von Festkörperbatterien ist ihre potenziell höhere Reichweite. Dank ihrer höheren Energiedichte können diese Batterien mehr Energie auf gleichem Raum speichern, sodass Elektrofahrzeuge mit einer einzigen Ladung größere Reichweiten erreichen. Während herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien typischerweise Reichweiten zwischen 320 und 480 Kilometern bieten, könnten Festkörperbatterien je nach technologischem Fortschritt Reichweiten von bis zu 800 Kilometern oder mehr ermöglichen.
Ein weiterer Vorteil ist die Sicherheit. Lithium-Ionen-Batterien bergen aufgrund ihrer entflammbaren flüssigen Elektrolyte Überhitzungs- und Brandgefahr. Feststoffbatterien hingegen sind weniger anfällig für diese Risiken, da der feste Elektrolyt nicht entflammbar ist, was die allgemeine Sicherheit und Langlebigkeit verbessert.
Mehrere Unternehmen sind führend in der Entwicklung von Festkörperbatterien, wobei einige davon die Markteinführung bis Ende des Jahrzehnts anstreben. Toyota hat erheblich in die Technologie investiert und plant, bis 2027 Elektrofahrzeuge mit Festkörperantrieb auf den Markt zu bringen. QuantumScape, ein US-Startup, ist ein weiterer wichtiger Akteur und hat große Fortschritte bei der Entwicklung tragfähiger und langlebiger Festkörperbatterien erzielt. Auch Volkswagen und BMW investieren stark in die Technologie und arbeiten mit Startups und akademischen Einrichtungen zusammen, um Forschung und Entwicklung voranzutreiben.
Die Marktführer im Batteriebau, CATL und BYD, arbeiten ebenfalls an der Entwicklung von Festkörperbatterien. Beide Unternehmen konzentrieren sich jedoch kurzfristig noch stärker auf Lithium-Ionen- und Lithium-Eisenphosphat-Technologien, während die Festkörpertechnologie ausgereift ist.
Ladezeit
Ein weiterer Bereich des Batteriewettbewerbs ist das superschnelle Laden.
StoreDot ist ein Vorreiter in der Entwicklung extrem schnell ladender Siliziumbatterietechnologie (XFC) für Elektrofahrzeuge. Kürzlich gelang es dem Unternehmen, eine prismatische Batteriezelle zu entwickeln, die sich in nur zehn Minuten von 10 % auf 80 % aufladen lässt.
Dank der technischen Kompetenz von StoreDot können diese XFC-Zellen innerhalb von nur fünf Minuten eine Ladung für 100 Meilen bereitstellen. Ziel ist es, diese Zeit bis 2026 auf vier Minuten zu reduzieren. Einzigartig ist, dass diese Batterien keine beschleunigte Degradation aufweisen, ein häufiges Problem, das normalerweise mit Schnellladungen einhergeht.
Die XFC-Zellen von StoreDot versprechen eine Kombination aus hoher Energiedichte, die für leistungsstarke EV-Batterien entscheidend ist, und robuster Zuverlässigkeit ohne Mehrkosten. Dieser technologische Fortschritt soll Elektrofahrzeuge für Hersteller und damit auch für Verbraucher erschwinglicher machen.
Darüber hinaus ist StoreDot eine Partnerschaft mit 15 Erstausrüstern (OEMs) eingegangen, um seine prismatischen XFC-Batteriezellen umfassend zu testen und in die bestehende EV-Architektur zu integrieren, was möglicherweise zu einer Veränderung der Marktlandschaft führt.
Die neu vorgestellte Batterietechnologie wird entscheidend dazu beitragen, die Ladeangst potenzieller Elektroauto-Käufer zu reduzieren. Aktuelle Umfragen in Großbritannien und Deutschland zeigen, dass mehr als die Hälfte der Befragten vor allem aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Ladezeiten zögert, auf Elektrofahrzeuge umzusteigen. Dies trotz erheblicher Investitionen der Länder in den Ausbau der Ladeinfrastruktur, um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden.
Dies sind nur einige Beispiele für Innovationen im Batteriesektor. Da die Hersteller die Einführung von Elektrofahrzeugen im weiteren Verlauf dieses Jahrzehnts beschleunigen müssen, hat alles, was Autofahrer zum Umstieg bewegen kann, höchste Priorität. Reichweite und Ladegeschwindigkeit sind hierfür von entscheidender Bedeutung.
