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.