Kommen jetzt die Super-Akkus?

Dass die Entwicklung der Fahrzeugbatterien eigentlich erst am Anfang ihrer Evolution ist, zeigten die letzten Ankündigungen der einzelnen Protagonisten. Wir laden Sie ein, uns auf der spannenden Reise der 
Akku(r)evolution zu begleiten und mit uns vielversprechendste Ansätze zu entdecken. Von Claus Bünnagel

 Bild: Max Bender iF5odYWB nQ Unsplash
Bild: Max Bender iF5odYWB nQ Unsplash
Gregor Soller

Wenn man heute über die Zukunft der Batterietechnik spricht, sollte man mit Tesla beginnen. Denn der US-Elektroauto-Pionier hat am 22. September 2020 mit der Präsentation seiner neuen Batteriezellgeneration im 4680er-Format den Weg aufgezeigt, wohin die Reise wenigstens bis zur Mitte des aktuellen Jahrzehnts gehen wird. Nicht irgendwann einmal, nicht im Rahmen eines nebulösen Forschungsprojekts, sondern ganz konkret in einem Serienauto. Denn sollte die Tesla-Zelltechnologie ihre störungsfreie Funktionalität dort beweisen, dann könnten alle drei großen Probleme der Elektromobilität – Reichweite, Ladedauer und Kosten – auf einen Schlag weitestgehend gelöst sein.

Es sind bereits erste Bilder jener Sandwichstruktur geleakt worden, mit deren Hilfe die 4680er-Batteriezellen zum tragenden Teil des Fahrzeugmittelteils werden, das beim Model Y und wahrscheinlich später auch Model 3 mit den beiden im Druckgussverfahren entstandenen Front- und Hecksegmenten verbunden wird. Diese Fotos lassen darauf schließen, dass das Model Y künftig bis zu 125 kWh an Batteriekapazität mitführen kann. Bei rund 115 bis 120 kWh nutzbarer Kapazität und einem realistischen Durchschnittsverbrauch von rund 17 bis 18 kWh/100 km besäße das Fahrzeug also eine Reichweite von annähernd rund 700 Kilometern oder gut 500 Kilometern bei Autobahntempo und wäre damit vollumfänglich alltagstauglich – ohne wesentliche Abstriche gegenüber dem gewohnten Leistungsspektrum der Verbrennertechnologie. Als Erstes könnte das Model S Plaid+ die neuen Zellen erhalten, das seinen Rollout ab letztem Quartal 2021 bis Mitte 2022 erleben und dann mit einer Ladung bis zu 840 Kilometer weit kommen soll – zum nicht alltagstauglichen Preis von rund 149.000 Euro allerdings eher einer kleinen Schicht der Bevölkerung vorenthalten.

Rollrundzellen besser ohne Lasche

Es sind einige wesentliche Evolutionsschritte, die das neue Format 46 x 80 mm signifikant von den Vorgängerformaten 1865 und 2170 abheben. Letztere beiden Rundzellen bestehen aus einer aufgerollten Metallfolie mit aufgebrachtem Speichermaterial. Am Ende dieser Rolle befindet sich eine Lasche. Über diese muss der Strom beim Laden und Entladen die gesamte Wicklung durchlaufen. Tesla hat es bei der 4680er-Zelle geschafft, diese Rolle quer zu verbinden und die Lasche überflüssig zu machen. Das verkürzt den Weg für den Stromfluss deutlich und ermöglicht eine Zellgröße in der Dimension einer kleinen Bierdose, ohne dass sich die Zelle beim Schnellladen zu stark erhitzt – was man aufgrund des Formats zunächst annehmen würde. Denn durch das Design ohne Lasche und die kürzeren Wege ist der Innenwiderstand der Zelle geringer, und es wird kaum noch Wärme erzeugt. Allein durch das neue Format steigt die Reichweite des Fahrzeugs um 16 bis 18 Prozent und die Batterie kann bis zu sechsmal schneller geladen werden als bisher – ein Quantensprung.

Tesla geht davon aus, dass insgesamt eine Reichweitensteigerung von rund 54 Prozent dank der 4680er-Zelle möglich sein wird – was gut mit den oben genannten Zahlen korrespondiert. Gleichzeitig sinken die Systemkosten auf Batterieebene um circa 56 Prozent von derzeit 110 bis 120 US-Dollar auf dann 48 bis 53 US-Dollar – damit werden tatsächlich Entwicklungen vollelektrischer Fahrzeuge möglich, die günstiger als vergleichbare Verbrennermodelle sind.

Und noch einen wichtigen Evolutionssprung könnte die neue Tesla-Zelle vollziehen. Zum einen ersetzt bei ihr beschichtetes Nickel an der Kathode (dem Pluspol) den umstrittenen Werkstoff Kobalt fast völlig. Die Beschichtung soll das Brandrisiko trotz des weitestgehend fehlenden Kobalts beherrschbar machen. Zum anderen, und dieser Schritt ist noch zukunftsweisender, haben die US-Ingenieure das üblicherweise verwendete Graphit der Anode (also des Minuspols) teils durch Silizium ersetzt – wohl ein Erfolg des Tesla-Nachbarn Amprius am Tesla-Standort Fremont. Dieses kann mehr Lithium-Ionen binden, was die Batteriekapazität deutlich erhöht. Allerdings dehnt sich die Siliziumschicht beim Laden um das Drei- bis Vierfache aus – was zu mechanischem Stress und damit zu einem Problem führt, das Tesla spätestens zum Serienanlauf gelöst haben muss.

Laut Unternehmenschef Elon Musk sollen bereits eine Reihe von Tesla Model S Plaid+ mit tausenden der neuen Zellen zu Testzwecken unterwegs sein. Jedoch ist es noch einmal eine ganz andere Herausforderung, Zellen statt per Hand in industrieller Großserie auf immer gleich hohem Qualitätsniveau herzustellen. Das erklärt, warum Tesla 2020 über seine Eifler Tochter Grohmann Automation nicht nur den rheinland-pfälzischen Maschinenbauer ATW aus Neuwied übernahm, sondern gleichzeitig auch eine Partnerschaft mit dem Spezialmaschinenbauer Saueressig einging, dessen Sparte Engineering ihren Sitz im nordrhein-westfälischen Vreden hat.

Um allem die Krone aufzusetzen, soll die Beschichtung der beiden Elektroden nicht mehr in einem aufwendigen Nassverfahren mit anschließender Trocknung erfolgen, sondern in einem trockenen Prozess. Diesen hat der 2019 von Tesla übernommene Speicherspezialist Maxwell Technologies entwickelt.

Die Anoden: Durch dick und dünn

Bleiben wir beim Thema Silizium, verlassen aber die Tesla-Sphäre. Bislang stand man bei Graphit-Anoden vor dem immer gleichen Dilemma: Sind sie dünnschichtig aufgebaut, ist die Energiekapazität der Zelle begrenzt. Dickschichtige Graphit-Anoden dagegen können mehr Energie in Form von Lithium-Ionen aufnehmen, erschweren aber schnelles Laden, da die Ionen in der Anode weiterwandern müssen. Wenn die Ionen während eines Ladevorgangs nicht schnell genug in die Anode eindringen können, kommt es zu einem molekularen Stau und das Lithium sammelt sich an der Oberfläche. Dieses Phänomen, das als Lithium-Plating bezeichnet wird, kann die Leistung einer Batterie beeinträchtigen. Und wenn sich zu viele Ionen auf der Oberfläche der Anode sozusagen „stapeln“, können sich verzweigte Äste bilden, die die Barriere zwischen ihrer Anode und ihrem Elektrolyten durchbrechen. Diese sogenannten Lithium-Dendriten verursachen im schlimmsten Fall einen Kurzschluss der Zelle.

An diesem Punkt kommt das Silizium ins Spiel. Dieses Material ist billig, im Übermaß auf der Erde vorhanden und kann die Kristallstruktur der Anode so verändern, dass sich die Gefahr des Lithium-Platings deutlich reduziert. Spezialisten wie StoreDot aus Israel oder Enevate aus Südkalifornien gehen dabei einen Schritt weiter als Tesla und wollen das Graphit der Anode vollständig durch Silizium ersetzen. Erwartet wird der Durchbruch dieser Technologie in den nächsten drei Jahren. Dann könnten E-Autos innerhalb von fünf bis zehn Minuten auf 75 bis 80 Prozent Ladekapazität gebracht werden, ohne auf eine hohe Speicherkapazität der Zellen verzichten zu müssen. Erreichbar sind nach derzeitigem Stand Energiedichten von bis zu 350 Wh/kg. Selbst der Fahrzeugbetrieb bei Temperaturen von minus 20 Grad Celsius und mehr soll ebenso möglich sein wie eine ausreichende Vollzyklenzahl von mindestens 1.000.

Skeptiker genießen die Ankündigungen solcher Unternehmen zurecht mit Vorsicht. Schließlich sind die Batteriespezialisten dafür bekannt, Leistungsdurchbrüche in Versuchszellen anzukündigen, die es nie auf den Markt schaffen. Allerdings zeichnet sich die Technologie etwa von Enevate jedoch dadurch aus, dass das Anodenmaterial problemlos in bestehende Herstellungsprozesse von Batterien integriert werden kann.

Denn die Zelltechnologie ist skalierbar, sowohl für großformatige Pouchzellen als auch prismatische und zylindrische Zellen. Außerdem lassen sich siliziumdominante Anodentechnologien mit NCA, NMC 811, NCMA, Low-Cobalt oder anderen fortschrittlichen Kathodentechnologien kombinieren. Last, but noch least kann beim Herstellungsprozess der Anoden das Rolle-zu-Rolle-Verfahren eingesetzt werden, bei dem eine Elektrodenproduktion von mehr als 80 Meter pro Minute erreicht werden kann. Das ermöglicht 10-GWh-Elektrodenproduktionslinien von mehr als einem Meter Breite und mehr als fünf Kilometer Länge, was unter anderem für die großvolumigen Produktionsprozesse von Gigafabriken ausreicht.

Ein Zeichen, dass Enevate auf dem richtigen Weg sein könnte, ist darin zu sehen, dass große Player wie Alliance Ventures (eine Partnerschaft der Autohersteller Renault, Nissan und Mitsubishi), das LG-Chem-Batterie-Spinout LG Energy Solutions oder die Samsung Venture Investment Corporation in jüngster Zeit verstärkt in Enevate investieren.

Statt Graphit: Der „Wunderstoff“ Graphen

Die Lösung für die Schnellladung der Zukunft könnte jedoch aus einer ganz anderen Richtung kommen. Kurz nach der Jahrtausendwende gelang es den russischstämmigen Forschern Andre Geim und Konstantin Novoselov mit ihrem Team der University of Manchester, das bis dato eher als thermodynamisch instabil bekannte Material Graphen in eine einschichtige Kristallstruktur zu bringen. 2010 erhielten Geim und Novoselov für ihre Entdeckung den Nobelpreis für Physik.

Graphen ähnelt in seiner atomaren Beschaffenheit stark dem erwähnten Graphit, das bislang in Anoden eingesetzt wird. Jedoch gibt es einen bedeutenden Unterschied, denn Graphen ist, anders als Graphit und jedes andere bislang verfügbare Material, zweidimensional. Das bedeutet, dass das Material nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoff besteht, also eine Dicke von nur einem Atom aufweist. Nur durch die wabenförmige Anordnung der Atome ist Graphen außergewöhnlich stabil. Das kann man sich bildlich etwa so vorstellen: Eine Graphen-Hängematte von einem Quadratmeter Größe könnte eine vier Kilogramm schwere Katze tragen – und selbst nur so viel wiegen wie ein einzelnes Schnurrhaar der Katze. Die Festigkeit des neuen Materials ist mit der von Stahl zu vergleichen, während es jedoch biegsam wie Gummi ist. Daneben besitzt es eine hohe Wärme- und Stromleitfähigkeit, eine enorme Oberfläche und viele weitere positive Eigenschaften.

Der Haken an Graphen allerdings war bislang sein hoher Preis. Bis zu 200.000 US-Dollar musste man wegen des aufwendigen Herstellungsprozesses bis vor Kurzem für eine Tonne des Stoffs bezahlen. Doch mit fortschreitender Forschung kommen nun preisgünstigere Herstellungsprozesse zum Einsatz. Besonders vielversprechend scheint dabei ein von der Rice University in Texas entwickelter Prozess zu sein. Danach soll jede Art von kohlenstoffbasiertem Material – seien es Essensabfälle, Plastikmüll oder sonstige Abfälle der Gesellschaft – für die Graphenproduktion genutzt werden. Bei der Herstellung werden diese Reste zwischen zwei Elektroden platziert und auf eine Temperatur von rund 3.000 Kelvin – etwa 2.727 Grad Celsius – erhitzt. Das dadurch entstehende Material kostet in der Herstellung lediglich einige hundert Dollar pro Tonne.

Mehr Kapazität, schnellere Ladezeiten

Ebenso interessant wie der Aufbau der Substanz sind auch seine vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Daher kann man auch nicht von „der“ Graphenbatterie sprechen, sondern hat ganz verschiedene Einsatzszenarien zur Auswahl. Zugute kommt diesem Spektrum, dass sich Graphen sehr gut mit anderen Werkstoffen kombinieren lässt. Die entstehenden Komposite haben wiederum die kombinierten Eigenschaften aller Komponenten.

Werbeinblendung:
Advertorial

Der j+ pilot befördert jeden E-Fahrer zum Chefpiloten

Neue Reifengeneration hat CO2-Minimierung im Visier

Samsung beispielsweise setzt das Material im Rahmen seiner Graphen-Ball-Technologie in Smartphones ein. Dabei werden Graphen und Kieselsäure zu mikroskopisch kleinen Graphenbällen gemischt. Als Anodenmaterial und gleichzeitig dünne Schicht auf der Kathode helfen die Bälle, den Ladeprozess auf zwölf Minuten zu reduzieren und die Kapazität des Akkus um 45 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus zu steigern.

Experimentiert wird auch mit dem Grapheneinsatz bei Superkondensatoren. Ein solches Supercap besteht lediglich aus zwei Lagen Graphen, die durch eine Elektrolytschicht voneinander getrennt sind. Hierbei handelt es sich also um einen dünnen Film, der leicht aufgebracht werden kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich die beiden Graphenlagen berühren und zum herkömmlichen Graphit verbinden. Die Vorteile beständen in einer für Superkondensatoren relativ hohen Energiedichte und der Supercaps-typischen schnellen Leistungsaufnahme und -abgabe.

GAC Aion V: Binnen acht Minuten auf 80 Prozent laden

Das estnische Start-up Skeleton Technologies geht noch einen Schritt weiter. Seine „SuperBattery“ mit Materialien des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist weder Superkondensator noch Lithium-Ionen-Akku, sondern ein neuer Batterietyp irgendwo dazwischen. In Kombination mit einer herkömmlichen Batterie lässt sie sich innerhalb von Sekunden laden, ist sehr langlebig und ermöglicht eine hohe Reichweite. Zwar besitzt diese Graphenbatterie nur eine Energiedichte von 60 Wh/kg, lässt sich aber zehnmal so schnell laden wie ein üblicher Lithium-Ionen-Akku. In den ersten Momenten des Be- und Entladens entspricht ihre Ladeleistung sogar der eines typischen Superkondensators.

In E-Autos könnte die SuperBattery die Überdimensionierung der Akkus und der entsprechenden Kühlsysteme vermeiden. Hauptsächlich würde sie aber als Pufferspeicher für die Leistungsspitzen beim Be- und Entladen dienen und so die Lebensdauer herkömmlicher Batterien erhöhen.

Bereits kurz vor dem Rollout scheint die chinesische Guangzhou Automobile Group (GAC) mit ihrem neuen Modell Aion V samt Graphenakku zu sein, an dem das Unternehmen seit 2014 forscht. Ab September soll das Fahrzeug in Serie produziert werden. Die neue Batterie verfügt nach Angaben von GAC über eine Schnellladefähigkeit von 6 C und kann in Kombination mit einem 600-A-Hochleistungsladegerät innerhalb von acht Minuten auf eine Kapazität von 80 Prozent gebracht werden. Der (Fest-)Stoff zum Träumen

Hohes Potenzial für die Zukunft dürften auch Lithium-Metall- und Lithium-Schwefel-Akkus bergen. Denn beide besitzen eine hohe Energiedichte. Ob sie wegen diverser Schwierigkeiten bis 2030 zur Marktreife gebracht werden können, steht allerdings noch in den Sternen. Näher an der praktischen Umsetzung in Fahrzeugen könnten Feststoffbatterien der nächsten Generation sein. Zwar sind schon einige Lösungen im Einsatz, z.B. vom französischen Hersteller Bolloré im Stadtbus Mercedes-Benz eCitaro, aber ihre Leistungsdaten heben sich bislang nur geringfügig von denen üblicher Lithium-Ionen-Akkus ab.

Einer der vielversprechendsten Ansätze wird in jüngster Zeit dem VW-Partner QuantumScape aus dem kalifornischen San José zugesagt. In zehnjähriger Grundlagenforschung hat der Feststoffspezialist einlagige Pouch-Zellen mit „dicken“ Kathoden, sprich einer Ladungsmenge von 
3 mAh/cm2, entwickelt, die analog zu solchen von herkömmlichen Akkus aufgebaut sind. Den Schwachpunkt bisheriger Feststoffbatterien, nämlich die geringe Zyklenfestigkeit, will man durch einen festen, keramischen Separator beseitigen. Außerdem verfügt die QuantumScape-Feststoffbatterie über keine klassische Anode. Diese formt sich aus reinem Lithium-Metall, sobald der Akku aufgeladen wird.

Als Ergebnis soll er sich in 15 Minuten auf 80 Prozent der Kapazität schnellladen lassen. Nach 800 Vollzyklen oder mehreren hunderttausend zurückgelegten Kilometern könne laut QuantumScape eine verbleibende Batteriekapazität von mehr als 80 Prozent erwartet werden. Außerdem soll der Feststoffakku extrem brandsicher sein und auf einem breiten Temperaturband ohne großen Leistungsabfall funktionieren – auch bei Kälte von bis zu minus 30 Grad Celsius. Der nächste Schritt besteht darin, die einschichtigen Zellen in mehrschichtige umzuwandeln und diese dann für die Massenproduktion vorzubereiten. Diese soll mithilfe von Volkswagen im zweiten Halbjahr 2024 starten. Bis zur Mitte des Jahrzehnts will man zusammen eine Produktionskapazität von 20 GWh pro Jahr aufbauen. Die Börse setzt bereits große Hoffnungen in das Gelingen des Vorhabens: Mitte Februar war die QuantumScape-Aktie bereits mit rund 62 Euro bewertet, was einem Unternehmenswert von rund 22,5 Mrd. US-Dollar entspricht. Womit wir wieder bei Tesla wären, wo man Börsenwerte ebenfalls aus Wetten auf die Zukunft generiert. Doch wer nicht wagt, der nicht gewinnt!

Auf den Punkt

Es ist … Zeit für große Entwicklungen in der Batterietechnologie.

Ideal für … künftige Reisen ohne Reichweitenangst.

Schön, dass … E-Autos nun endgültig erwachsen werden.

Schade, dass … manche Vorhaben noch etwas Zeit beanspruchen.

Die neue 4680er-Batteriezelle von Tesla

Im Einzelnen ergeben sich laut Tesla folgende Kostenreduzierungen:

14 % beim Zelldesign

5 % beim Anodenmaterial

12 % beim Kathodenmaterial

7 % bei der Integration der Zelle 
ins Fahrzeug

18 % durch verbesserte Produktionsprozesse

Als erstes Modell dürfte bei Tesla wohl das Model S Plaid+ die neuen Zellen erhalten. Später dürften die weiteren Baureihen folgen. Auch Grünheide könnte diesen Zelltyp fertigen.

◂ Heft-Navigation ▸

Artikel Kommen jetzt die Super-Akkus?
Seite 14 bis 18 | Rubrik coverstory