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TechnikTraktionsbatterien für Elektrofahrzeuge

Der Fort­schritt gibt Gas

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Christoph Hammerschmidt

Christoph Hammerschmidt

freier Journalist

Zu teuer, zu geringe Kapazität, zu lange Ladedauer: Batterien für Elektrofahr­zeuge gelten als Bremsklötze für die Elektromo­bi­lität. Das muss aber nicht so bleiben. In Laboren rund um den Globus tüfteln Wissenschaftler an besseren Rezepturen und Herstellungs­ver­fahren.

15. Januar 2015

Um mit dem Preis anzufangen: Gegenwärtig erhitzt ein Großprojekt die Gemüter der Batterie­her­steller. Es geht um das gemeinsame Vorhaben von Tesla und Panasonic, eine gigantische Produkti­ons­an­lage für Lithium-Ionen-Batterien aufzubauen. Diese "Gigafactory" soll 2017 die Produktion aufnehmen, bis 2020 soll sie nach aktuellen Planungen eine Fertigungs­ka­pa­zität von 35 Gigawatt­stunden erreichen. Geplant ist die Herstellung von Rundzellen und anschluss­fer­tigen Batterie­pa­keten. Zwar verschmäht die deutsche Autoindus­trie diese Rundzellen und führt dafür Qualitäts­gründe an. Die US-Konkurrenz in Gestalt von Tesla Motors setzt jedoch genau diese Zellen in ihren Autos ein und erzielt damit am Markt nicht zu leugnende Erfolge. Die riesigen Mengen, die aus der Gigafactory auf die Hersteller von Elektromo­bilen zurollen werden, dürften nicht nur die Verbreitung dieses Batterie­typs fördern, sondern auch Druck auf die Preise ausüben, prognosti­ziert das Beratungs­un­ter­nehmen Roland Berger in seinem Index Elektromo­bi­lität.

Preise pro Kilowatt­stunden senken

Schon das effiziente Fertigungs­ver­fahren gibt den Rundzellen einen Kostenvor­teil gegenüber den in Deutschland üblichen Pouch- oder prismati­schen Zellen. Denn Rundzellen werden in einem rationellen kontinuier­li­chen Wickelver­fahren hergestellt, während die Industrie hierzulande ihre Zellen in umständli­chen Schichtungs- oder Faltverfahren zusammen­baut. Die Skalenef­fekte, die mit der Fertigung im gigantischen Maßstab einhergehen, könnten den Preis pro Kilowatt­stunde um 20 bis 25 Prozent reduzieren, so Roland Berger. Dazu käme der Wettbewerbs­druck, der von der Gigafactory ausginge. Um die Größenord­nung zu verdeutli­chen: Von den Fließbän­dern der Batterie­fa­brik in Nevada sollen laut Tesla-Zahlen im Jahr 2020 mehr Lithium-Ionen-Zellen rollen als die gesamte Weltproduk­tion dieser Zellen in 2013 zusammen.

Verfahren für Batterie­fer­ti­gung optimieren

Aber der Preis ist nur ein Ansatzpunkt von mehreren für die Weiterent­wick­lung der Traktions­bat­te­rien. Weltweit arbeiten Unternehmen und Forschungs­in­sti­tute an besserer Chemie und an effizien­teren Herstellungs­ver­fahren. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eins davon. Dort hat ein Forscher­team kürzlich eine Methode entwickelt, die eine wesentliche Steigerung der Fertigungs­ge­schwin­dig­keit ermöglicht. Dabei setzen die Karlsruher an der Beschich­tung der Elektroden­fo­lien an. Die Folien werden in einem durchgehenden Prozess mit den aktiven Materialien beschichtet. Soll die Folie für eine Batterie verwendet werden, die aus vielen Lagen aufeinander geschichtet wird, so muss die Beschich­tung immer dort unterbro­chen werden, wo die Folie gefaltet oder geschnitten werden soll. Dabei kommt es darauf an, auch bei hoher Geschwin­dig­keit saubere Start- und Stopkanten hinzubekommen. Den Karlsruher Wissenschaft­lern um Professor Wilhelm Schabel aus dem Forschungs­be­reich Thin Film Technology gelang es, ein Verfahren zu entwickeln, das diese sauberen Kanten erzielt. Damit ließen sich pro Zeiteinheit bis zu 300 Prozent mehr Elektroden­fo­lien fertigen, frohlockt das KIT. Weil die Investiti­ons­kosten dabei nahezu gleich bleiben, werde das die Herstellung preisgüns­ti­gerer Batterien erlauben.

In zwei Minuten zu 70 Prozent geladen

Neben der Fertigungs­technik kommt vor allem der Zellchemie eine entschei­dende Bedeutung für die Leistungs­fä­hig­keit künftiger Batterien zu. Hier werden nahezu im Wochentakt Fortschritte auf diesem Gebiet gemeldet, meist erzielt durch neue Materialien und Rezepturen. So hat eine Forscher­gruppe der Nanyang Technology University in Singapur eine Batterie entwickelt, die sich in nur zwei Minuten auf 70 Prozent ihrer Kapazität aufladen lässt. Die Forscher tauschten dazu das Grafitma­te­rial der Batterie-Anode gegen ein Gel auf Basis von Titandioxid aus.Die wissenschaft­liche Leistung dabei liegt in der Strukturie­rung des Materials: Den Wissenschaft­lern gelang es, das normaler­weise in Form winziger Kügelchen vorkommende Titandioxid zu Nanoröhr­chen umzuformen und so die chemischen Vorgänge erheblich zu beschleu­nigen. Damit lässt sich die Batterie nicht nur fast so schnell aufladen, wie sich ein Benzintank füllen lässt, sie hält auch bis zu 10.000 Ladezyklen durch, 10- bis 20-mal mehr als herkömmliche Batterien.

Einen ähnlichen Ansatz verfolgt eine gemeinsame Forscher­gruppe der Universi­täten Graz und St. Andrews. Die Experten haben die Anoden mit Titancarbid beschichtet und könnten dabei Verbesse­rungen bei Leitfähig­keit und Stabilität des Materials und damit der Batterie erzielen, wie die TU Graz meldet. Neben höherer Lebensdauer und schnellerer Ladefähig­keit haben Titanver­bin­dungen übrigens noch weitere Vorteile: Das Material ist weltweit im Überfluss vorhanden, preiswert und, im Gegensatz zu Lithium, nicht entflammbar.

Die vollstän­dige Supply Chain im Griff

Berechtigt das alles nun zur Hoffnung auf einen schnelleren Fortschritt in der Elektromo­bi­lität? Olaf Wollesheim, Leiter Projektkom­pe­tenz am KIT, rät erst einmal zur Vorsicht. „Das sind alles Ergebnisse im Labor, bis zur Industria­li­sie­rung ist noch ein weiter Weg“, warnt der Stratege. „Dazu muss erst einmal die gesamte Supply Chain neu aufgestellt werden.“Doch so zurückhal­tend muss man die Lage nicht unbedingt beurteilen. Immerhin haben die Experten des Forschungs­be­reichs Thin Film Technology mit ihrer schnellen Produkti­ons­technik bereits jetzt eine Produkti­vität erreicht, die die „Roadmap Produkti­ons­mit­tel“ des VDMA eigentlich erst in vielen Jahren vorgesehen hatte – in 2030.