Der Anteil der E-Autos am Markt wächst und die Reichweiten haben sich in den letzten Jahren deutlich verbessert. An die Werte eines modernen Benziners oder Diesels kommen die Elektroautos der unteren und mittleren Preisklasse jedoch bisher nicht heran. Hier braucht es weitere Durchbrüche in der Forschung. Die Hersteller verfolgen hier unterschiedliche Ansätze, um die Reichweite, Ladegeschwindigkeit und Haltbarkeit zu erhöhen. Fest steht: In den nächsten Jahren wird die Batterietechnik einige Neuerungen erfahren.
Stand der Akku-Technik bei Elektrofahrzeugen
Die meisten Hersteller nutzen derzeit die bewährte Lithium-Ionen Batterie. Sie bietet ein gutes Verhältnis von Preis und Leistungsfähigkeit und erlaubt je nach Dimensionierung auch große Reichweiten. Der Leistungsverlust bei Kälte kommt durch den flüssigen Elektrolyten, der bei Kälte zähflüssig wird. Dem Problem wirken viele Autos durch Vorheizen der Batterie entgegen, was allerdings die Ladezeiten im Winter verlängert.
Das Hauptproblem der Lithium-Ionen Akkus sind deren Größe und Gewicht, sodass besonders kleine Auto mit schwachem Motor in der Reichweite limitiert werden. Außerdem ist der Lithiumabbau eine große Belastung für die Umwelt. Hier setzen die Hersteller mit verschiedenen Hebeln an. Einige versuchen, die vorhandene Batterie zu optimieren und experimentieren mit unterschiedlichen Materialien, um Leistung und Gewicht zu verbessern. Manche Hersteller forschen auch an komplett neuen Technologien.
Welche Eigenschaften sollen verbessert werden?
Die Autohersteller haben grundsätzlich alle Eigenschaften bei der Herstellung eines Akkus im Blick. Ein besonderes Augenmerk liegt allerdings auf:
- Reichweite
- Energiedichte (Verhältnis von Größe und Gewicht zur Reichweite)
- Ladestrom und Ladegeschwindigkeit
- Lebensdauer
- Ladezyklen und Kapazitätsverlust
- Preis und Verfügbarkeit der Materialien
- Sicherheit
Welche Batterietechnologien werden derzeit entwickelt?
Die Hersteller auf der ganzen Welt verfolgen unterschiedliche Ansätze bei der Weiterentwicklung der Akkus. Einige nennenswerte Fortschritte gab es bereits bei:
- Lithium-Eisenphosphat-Batterie
- Feststoffakku
- Halb-Feststoffbatterie
- Natrium-Ionen-Akku
- SALD-Batterie
Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LiFePO4 oder LFP)
Dies ist eine Weiterentwicklung der normalen Lithium-Ionen Batterien. Der Unterschied besteht in der Elektrode, die nicht aus Kobalt hergestellt wird, sondern aus Eisenphosphat. Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie hat eine längere Lebensdauer und eine größere Toleranz gegenüber Temperaturen. Sie hat aber eine geringere Energiedichte und braucht somit mehr Platz, um die gleiche Kapazität zu erreichen.
Dieser Batterietyp wurde schon in Serien verbaut. Hersteller wie Tesla, Smart, Volvo BYD und MG nutzen teils Lithium-Eisenphosphat-Batterien in ihren Fahrzeugen.
SALD-Batterie (spatial atom layer deposition)
Dies ist ebenfalls eine Weiterentwicklung des normalen Li-Ionen Akkus. Hier werden die Zellen mit einer Beschichtung auf atomarer Ebene versehen. Das erleichtert den Stromfluss und erlaubt höhere Reichweiten sowie Ladeströme. Die Serienfertigung ist allerdings noch in weiter Ferne.
Natrium-Ionen Akku
Bei diesem Akku wird das teure und aufwändig gewonnene Lithium durch Natrium ersetzt. Außerdem braucht er weder Nickel noch Kobalt. Das spart seltene Ressourcen und bietet eine umweltfreundliche Alternative. Diese Batteriepakete sind günstiger, weniger kälteempfindlich und nicht brennbar. Nachteil ist die deutlich geringere Energiedichte, also wird mehr Platz im E-Auto benötigt.
Der chinesische Hersteller JAC baut seit 2023 erste Fahrzeuge mit der Technologie. In Europa sind noch keine Serienfahrzeuge damit unterwegs.
Feststoffbatterie (solid-state-battery)
Bei dieser Akku-Variante befinden sich die Elektroden nicht in einem flüssigen Elektrolyten, sondern in einem festen Stoff. Das hat den Vorteil, dass der Feststoffakku deutlich weniger Probleme mit Temperaturen hat. Das würde den Kapazitätsverlust im Winter minimieren. Auch das Laden wäre deutlich schneller möglich und das bei größeren Kapazitäten.
Einige Serien mit Feststoffakku sind bereits in Planung. Der Nachteil sind hohe Preise, bis die Technologie in Großserien hergestellt wird. Viele Hersteller arbeiten aber genau daran, darunter VW, Mercedes, Hyundai, BMW, Toyota und mehrere chinesische Hersteller.
Halb-Feststoffbatterie (semi-solid-state-battery)
Dieser Stromspeicher versucht, die Vorteile der Lithium-Ionen und Feststoffbatterien zu verbinden. Eine Elektrode ist in einen festen Elektrolyt eingebettet, die andere in einen flüssigen. Das soll große Reichweiten bei schneller Aufladung ermöglichen. Es gibt bereits einzelne Modelle in China, die mit dieser Batterie fahren. Eine Aussage zur Serienreife in Europa ist derzeit aber noch nicht möglich.
Welche Technologien werden noch erprobt?
Weitere technologische Ansätze werden von den Batterieherstellern verfolgt, konnten aber bisher nicht zur Marktreife geführt werden. Dies betrifft überwiegend Veränderungen an den Materialien, um die Eigenschaften der Batterien merklich zu verbessern. Dazu gehören:
- Alu-Schwefel-Akku
- Elektrolyt aus Chitin
- Phoenix-Akku
- Anoden aus Silizium
- Anoden aus Niob und Wolfram
- verbesserter Elektrolyt
Alu-Schwefel-Akku
Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) forscht an der Verwendung von Aluminium und Schwefel für die Elektroden. Das würde den Stromspeicher besonders in der Herstellung umweltfreundlicher machen, denn diese Stoffe sind leichter zu beschaffen als Lithium. In Verbindung mit der versprochenen superschnellen Ladung klingt das nach dem perfekten Speicher. Eine Serienfertigung ist aber derzeit bislang nicht geplant.
Nachhaltigere Batterie mit Elektrolyt aus Chitin
Wissenschaftler der University of Maryland haben einen Elektroautoakku entwickelt, der überwiegend aus Zink und Chitin besteht. Chitin ist ein Stoff, der unter anderem aus Schalentieren und Pilzen gewonnen wird. Auch das Zink ist in größerer Menge verfügbar als Lithium. Diese Variante könnte die Umweltbelastung durch den Lithium- und Kobaltabbau deutlich verringern. Eine Einführung in der Serienproduktion ist aber bisher nicht absehbar.
„Phoenix-Akku“ mit Supraleitern
Dieser Akkutyp wird von Greater Bay Technology entwickelt und getestet. Er verwendet Supraleiter, mit denen eine sehr schnelle Aufheizung ohne Schäden möglich ist. So kann die Batterie auch bei extremer Kälte unter günstigen Bedingungen geladen und betrieben werden. Der Phoenix-Akku wird noch nicht in Serie gebaut, soll aber im chinesischen SUV GAC Aion zum Einsatz kommen.
Silizium Anode
Die Sogang-Universität in Seoul testet die Verwendung einer Anode aus Silizium. Diese ist energiereicher und erlaubt theoretisch ein Vielfaches an Kapazität. Problem ist die Ausdehnung der Anode beim Schnellladen. Hier arbeiten die Forscher mit einem speziellen Elektrolyt entgegen, welcher diese Volumenunterschiede absorbiert. Eine Markteinführung ist bisher nicht geplant.
Anoden aus den Elementen Niob und Wolfram
Die britische Firma Nyobolt experimentiert mit Anoden aus Niob und Wolfram. Diese sollen eine superschnelle Ladung im Gegensatz zu Li-Ionen ermöglichen. Die Alterung fällt ebenfalls deutlich geringer aus. Eine serienmäßige Einführung ist derzeit jedoch noch nicht in Planung.
Neuartiger Elektrolyt
Der bekannter Batteriehersteller CATL testet andere Elektrolyten. Diese lassen sich mit sehr wenig Energie aufheizen, sodass der Betrieb bei kalter Batterie unter günstigen Bedingungen erfolgen kann. Das würde besonders dem Kapazitätsproblem im Winter zugutekommen. Details für eine Serienfertigung sind auch hier bisher nicht bekannt.
Welche Automarken nutzen derzeit welche Technologie?
Die Meinungen der Automobilkonzerne gehen bei diesem Thema ebenso weit auseinander wie die Eigenschaften der Technologien. So setzen die Hersteller auf verschiedene Akkutypen, in denen sie die Zukunft vermuten. Derzeit wird der Markt noch von den Lithium-Ionen Akkus beherrscht. Diese werden von den meisten Marken verwendet, darunter Mercedes, BMW, Volkswagen, Opel, Hyundai und Kia.
Die Eisenphosphat-Batterie erlaubt schnelleres Laden. Hierzu zählt der “Shenxing” Akku von CATL, der in einigen chinesischen Modellen von MG oder BYD eingesetzt wird. Allerdings haben auch schon Smart, Tesla und Volvo diesen Akku genutzt.
Weit mehr Aufwand wird bei der Entwicklung von Feststoffakkus betrieben. Hier arbeiten einige der größten Hersteller wie VW, Toyota, Mercedes, BMW, Ford und Hyundai an der Forschung. Eine breite Einführung der Feststoffbatterie am Markt würde vermutlich das E-Auto revolutionieren, denn damit wären bisher ungeahnte Reichweiten möglich.
Auf den Halb-Feststoffzellenakku setzen bisher nur weniger Hersteller. Führend sind dabei Nio und IM Motors. Nio hat bereits den ET7 mit dem neuen Batterietyp ausgestattet. Bei erfolgreichem Langzeittest ist es durchaus denkbar, dass andere Hersteller hier folgen werden.
Fazit: Mehr Reichweite und schnellere Ladung in der Zukunft sehr wahrscheinlich
Die perfekte Elektroauto-Batterie für alle Fälle ist bis jetzt nicht erfunden. Die Hersteller aus aller Welt scheinen aber einig darüber, dass weiter verbessert werden muss. Die größten Hoffnungen ruhen dabei offenbar auf dem Feststoffakku. Hier arbeiten Unternehmen rund um den Globus an Tests und einer baldigen Markteinführung. Welche Vorteile diese E-Autos dann genau haben, wird die Zeit zeigen.
F. Selleng wurde in Köthen (Anhalt) geboren. Als ausgebildeter Mechatroniker bei der Deutschen Bahn, arbeitete er dort in der Wartung und Instandhaltung von Schienen-Baufahrzeugen.
Nach einer Fortbildung zum Industriemeister Elektrotechnik wechselte er später in die Autoindustrie nach Leipzig. In den folgenden Jahren arbeitete er bei Porsche und BMW.
Seit dem Schuljahr 2016/17 ist er als Fachlehrer für Elektrotechnik an einer Berufsschule tätig. Im gleichen Zeitraum begann er, als freier Autor fachliche Texte und Ratgeber zu verfassen.
