Größer, weiter und schneller laden - diese Rahmenbedingungen waren in den letzten Jahren eng mit der Entwicklung von E-Auto-Batterien verknüpft. Vorzugsweise massige, hochpreisige Stromer der Premiumhersteller, die mit einer vollen Ladung möglichst weit kommen sollten. Das konnten aber bisher fast ausschließlich so genannte Lithium-Ionen-Batterien, mit den bekannten seltenen Elementen Lithium, Kobalt oder Nickel.
Batterien sollen umweltfreundlicher werden
Mittlerweile geht es auch ohne. In der Batterieforschung spielen nämlich Kosten und auch Nachhaltigkeit eine immer größere Rolle. Daher wird intensiv an alternativen Batterietechnologien geforscht, die möglicherweise auf umweltfreundlicheren Materialien basieren und auch leichter verfügbar sind, wie beispielsweise Eisen und Natriumhydroxid.
Innovationen kommen meist aus Asien
Vor allem asiatische Konzerne führen bei den Patentanmeldungen für Schlüsseltechnologien der Elektromobilität, insbesondere in der Batterietechnik. Fast ein Viertel aller 4.651 Patenanmeldungen in diesem Bereich gingen beim Deutschen Patent- und Markenamt 2022 beispielsweise aus Südkorea ein. Gefolgt von Japan und Deutschland.
Speziell in der Batterietechnik konnten Südkorea, die USA, China und auch Japan in Bezug auf Innovationsdynamik Deutschland überholen. Führend ist hier die koreanische LG Energy Solution noch vor CATL aus China sowie BMW und VW aus Deutschland.
Serienreife Salz-Batterien
Natrium-Ionen-Batterien gelten als nachhaltigere und vor allem günstigere Alternative zu den gängigen, in E-Autos verbauten Lithium-Ionen-Batterien. Das Problem bislang: Die geringe Energiedichte der Salz-Batterien. Das heißt, Natrium-Ionen-Batterien sind meist größer und galten bisher als nicht sonderlich leistungsfähig.
Hier scheinen vor allem in China entscheidende Entwicklungsschritte gelungen zu sein. Zumindest soll es demnächst von den chinesischen Marken BYD und Chery serienreife E-Kleinwagen mit Salzbatterien geben, die um die 11.000 Euro kosten und mit einer vollständigen Ladung 400 Kilometer weit kommen.
Dabei ist die Natrium-Technologie nichts Neues und lange bekannt, sagt Christoph Neef, Batterieforscher vom Fraunhofer-Institut für System und Innovationsforschung (ISI) in Karlsruhe: "Mein Eindruck ist mittlerweile, dass es nicht nur die Technologiekompetenz ist, die in China liegt, sondern auch der Mut, das jetzt in den Markt reinzubringen. Wir reden schon viele Jahre über Natrium-Ionen-Batteriezellen in Europa, aber keiner hat das angefasst, um das zu kommerzialisieren."
Batterien ohne Kobalt und Lithium aus Europa
Mittlerweile hat auch Northvolt, ein schwedisches Unternehmen, das sich auf die Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge und Energiespeicherlösungen spezialisiert hat, einen Durchbruch in der Weiterentwicklung von Salz-Batterien verkündet.
Zumindest die erste Generation dieser Batterien ist für den Speichermarkt vorgesehen, weil hier die Energiedichte von 160 Wattstunden pro Kilogramm der vergleichbarer Lithium-Ionen-Akkus sehr nahekommt. Für den Einsatz in E-Autos reicht das bislang allerdings noch nicht.
Die Innovation: Der Northvolt-Akku
Das Besondere am Northvolt-Akku: Dieser basiert auf einer Anode (Pluspol) aus Hartkohlenstoff und einer Kathode (Minuspol) aus Preußisch Weiß, einem Eisenkomplex. Damit kann nicht nur auf das umweltschädlichere Grafit verzichtet werden, sondern auch auf die prekären Elemente Lithium, Kobalt und sogar Nickel.
Interessant, sagt Andreas Haas, Entwicklungsleiter bei Northvolt, seien die jetzt verwendeten Bestandteile vor allem im Hinblick auf die künftigen Lieferketten: "Ammoniak, Eisen als auch Natriumhydroxid sind tatsächlich gerade auch in Deutschland relativ weit verbreitet. Und für uns bedeutet das natürlich, dass wir auf europäische Partner setzen können und nicht abhängig sind von gerade asiatischen Zulieferern."
Bestehende Produktionslinien nutzen
Die Weiterentwicklung von Natrium-Ionen-Batterien ist aber nicht nur aus Kostengründen interessant, erklärt Margret Wohlfahrt-Mehrens vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm. Vorhandene Produktionsanlagen könnten weiter genutzt werden: "Das ist ein sehr großer Vorteil. Wenn Sie daran denken, dass in Europa gerade Milliarden investiert werden, für neue Produktionslinien, die auch in ein paar Jahren noch für neue Systeme genutzt werden sollen."
Deutschland ist zudem einer der größten Salzproduzenten der Welt. Natrium ist natürlicher Bestandteil von Kochsalz und es wird hierzulande wesentlich mehr Salz abgebaut, als man bräuchte, um weltweit Natrium-Ionen-Batterien auszustatten.
Recycling: Batterien vom Ende her denken
Anders als vielleicht viele Automobilkonzerne sieht Christoph Neef vom Fraunhofer ISI in Karlsruhe, nachhaltiges Entwicklungspotential bei den Batterien vor allem im Herstellungsprozess, "also den Energiebedarf in der Produktion verringern, den Einsatz von Lösungsmitteln verringern und so weiter".
Für die Ulmer Batterieforscherin Wohlfahrt-Mehrens, ist es in Zukunft entscheidend, E-Auto-Batterien vom Ende her zu denken und über "Design für Recycling" eine vollständige Kreislaufwirtschaft zu etablieren, um unabhängiger von Ressourcen zu werden. Im Moment, moniert Wohlfahrt-Mehrens, würden nur Metalle zurückgewonnen: "Wenn man jetzt an Elektrofahrzeuge denkt, dann werden große Mengen Batterien des gleichen Typs anfallen. Und dann ist es auch einfacher, Recyclingverfahren zu entwickeln."
Das Ziel: PFAS-freie Batterien
Ein großes Umweltproblem der gängigen Lithium-Ionen-Batterien sind fluorhaltige Binder, die helfen sollen, die Effizienz und Lebensdauer der Akkus zu optimieren. Richtigen Ersatz für diese sogenannten PFAS, die in der EU ja verboten werden sollen, gibt es noch nicht. "Eine PFAS-freie Batterie würde das Recycling extrem vereinfachen, weil Fluor das Recycling sehr stark stört", erklärt Margret Wohlfahrt-Mehrens.
Auch hier, sagt Andreas Haas vom schwedischen Batteriehersteller Northvolt, sind Natrium-Ionen-Batterien klar im Vorteil: "Bei den Elektroden von Natrium-Ionen-Batterien ist es leichter für uns, uns von PFAS zu entfernen. Aber das müsste ein Trend sein, der über alle Technologien geht, nicht nur bei Natrium-Ionen-Batterien."
Noch Zukunftsmusik: Die Feststoffbatterie
Die Festkörperbatterie gilt als eierlegende Wollmilchsau der E-Auto-Batterietechnologie. Hier wird anstelle eines flüssigen Elektrolyts auf eine feste Elektrolytschicht als Ionenleiter gesetzt. Das führt zu einer erheblich gesteigerten Energiedichte. Gleichzeitig bietet die Batterie höhere Sicherheit (brennt nicht), ermöglicht schnellere Ladezeiten, verspricht Reichweiten vergleichbar mit Verbrennungsmotoren und erfordert im Elektroauto weniger Platz.
Obwohl Prototypen bereits existieren, dürfte eine schnelle und weitreichende Implementierung dieser Technologie in Serienfahrzeuge vor 2030 kaum zu erwarten sein. Zumal es hierfür grundsätzlich neue Produktionslinien bräuchte.
Fast wöchentlich neue Entwicklungen bei Akkus
Selbst Batterieforscher staunen aktuell bisweilen über die Taktung der Neuerungen im Batteriesektor - selbst bei den etablierten Lithium-Ionen-Akkus. Seien es neue Elektrolyte, die die Kälteempfindlichkeit stark verbessern oder Anoden aus Silizium, die die Leistung bisheriger Akkus verzehnfachen sollen.
Viele Entwicklungen sind längst nicht serienreif. Aber, erklärt Batterieforscher Christoph Neef anhand von Reichweiten bis 1.000 Kilometern bei E-Autos: Die Entwicklung ist rasant: "Da haben wir vor drei Jahren auch noch gesagt, wie soll das denn klappen? Heute gibt es erste Autos, die haben tausend Kilometer Reichweite. Da findet wirklich auf allen Ebenen immer noch extrem viel statt."
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