Fragen an den Batterie-Experten: Was ist der Akku der Zukunft?

Albtraum: Ein verkokelter Akku aus dem Dreamliner von Boeing.

Die Reichweiten von Elektroautos sind begrenzt, die Akkus schwer und teuer. Und wenn dazu noch eine Meldung von einem entflammten Akku die Öffentlichkeit erreicht, wird der Wunsch nach neuen, sicheren Materialien besonders laut. Wir fragten den Batterie-Experten Professor Sauer von der RWTH Aachen, ob und wann mit einem Akku zu rechnen ist, der all die Probleme lösen könnte.

Prof. Dirk Uwe Sauer ist Leiter des Instituts für elektrochemische Energiewandlung und Speichertechnik an der RWTH Aachen

Herr Prof. Sauer, wir bitten um Aufklärung: Was hat Boeing bei den Lithium-Ionen-Akkus an Bord der Dreamliner falsch gemacht, dass sie verkokelt sind?
Die Untersuchungen der amerikanischen Flugsicherheitsbehörde haben zumindest in einem der Fälle einen inneren Kurzschluss in einer der acht Zellen des Batteriepacks diagnostiziert. Ob es sich um eine systematische Schwäche in der Zelle oder um einen Qualitätsmangel in der Herstellung handelt, weiß ich nicht.

Könnte so etwas bei den heutigen Akkus in Elektroautos auch passieren?
Zu sagen, dass das in Fahrzeugen nicht passieren kann, wäre sicher vermessen. Fakt ist aber, dass die Fahrzeugindustrie sehr hohe Laufleistungen in der Entwicklungsphase abprüft und auch den Zellentwicklungs- und Produktionsprozess sehr genau begleitet, um solche Risiken zu minimieren.

Welche Eigenschaften von Energiespeichern müssen heute vorrangig entwickelt werden, damit der Elektroantrieb eine echte Chance gegen den Verbrenner hat?
Batterien der jetzigen Generation auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie werden auch in absehbarer Zeit nicht dazu geeignet sein, Distanzen von 300 Kilometern und mehr rein elektrisch zu fahren. Das hat weniger technische als vor allem ökonomische Gründe. Die Frage darf also nicht lauten, was an der Batterie passieren muss, damit sie gegen den Verbrenner eine Chance hat, sondern die Frage ist, für welche Anwendungen eignet sich ein elektrischer Antrieb auf Basis der heutigen Batterietechnologie. Und zwar unter der Annahme, dass der Preis bei größeren Stückzahlen deutlich zurückgeht. Die Antwort ist sehr klar: Elektrofahrzeuge mit kleiner Reichweite machen Sinn als Zweitfahrzeuge in Familien für den Stadtverkehr, für die täglich wiederkehrenden Fahrten zur Arbeit und für Stadtverteilfahrzeuge. Ökonomisch macht das E-Fahrzeug je mehr Sinn, desto mehr es gefahren wird. Denn Fahren mit Strom ist über den Daumen pro Kilometer halb so teuer wie mit Benzin.
Der noch breitere Markt aber sind die Plug-in-Hybridfahrzeuge mit einer elektrischen Reichweite von 30 bis 50 Kilometer plus Verbrennungsmotor für weitere Fahrten. Beispiel dafür ist der Opel Ampera. Das bringt eine erhebliche Reduktion des Benzinverbrauchs und damit auch des CO2-Ausstoßes, und die Batteriegröße bleibt in einem bezahlbaren Bereich. Ein derartiges Konzept kann auch organisch aus den Vollhybridfahrzeugen entwickelt werden, wie Toyota das macht.

Welche Material-Kombinationen werden für den Akku der Zukunft erforscht?
Wenn es um hohe Energiedichten geht, ist Lithium als leichtestes bei Raumtemperatur festes Element das wichtigste Material. Daher ranken sich viele Forschungsarbeiten um Kombinationen mit Lithium. Wenn es um hohe Energiedichten geht, stehen Lithium-Schwefel- und Lithium-Luft-Systeme im Fokus. Es kommen aber prinzipiell auch andere Metalle in Frage, die unter Umständen auch kostengünstigere Batterien ermöglichen. Deren Energiedichten sind aber so, dass sie meist mit dem Fokus auf stationäre Anwendungen entwickelt werden.

Wissenschaftler setzen für zukünftige Akkus auf Lithium-Schwefel und Lithium-Luft. (Quelle: Fraunhofer)

Gibt es eine theoretische Grenze für die Leistungsfähigkeit von Akkus? Oder verschiebt sich die Grenze immer weiter, je intensiver geforscht wird?
Für elektrochemische Energiespeicher gibt es eine physikalische Obergrenze. Die ergibt sich, weil in elektrochemischen Elementen die Energiespeicherung immer an bestimmte Atome oder Moleküle gebunden ist. Jedes Atom kann dabei eine Maximalzahl von Ladungsträgern aufnehmen – meist eines, manchmal zwei, selten drei – und mit einem Reaktionspartner eine Potenzialdifferenz ausbilden. Daraus ergibt sich die maximal speicherbare Energiemenge. Sowohl die Zahl der speicherbaren Elektronen als auch das Potenzial sind Naturkonstanten, über die hinaus nichts gehen kann. Diese Grenze ist allerdings so hoch, dass theoretisch mehr nutzbare elektrische Energie in einem Kilogramm Batterie gespeichert als aus einem Kilogramm Benzin gewonnen werden kann.

Mehr Energie in einer Batterie als in Benzin – das klingt doch traumhaft …
In der Praxis sind die Energiedichten viel geringer, auch weil die Materialkombinationen mit steigender Energiespeicherdichte immer aggressiver und gefährlicher werden.
Außerdem gibt es in den jeweiligen Materialklassen eine theoretische Obergrenze für die Energiedichte, die bei gut 600 Wattstunden pro Kilogramm liegt. In den kommenden Jahren kann es gelingen, davon etwa 50 Prozent nutzbar zu machen. Darüber hinaus geht es dann mit Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batteriesystemen.

Dann ist die Lithium-Luft-Batterie der Akku der Zukunft?
Lithium-Luft-Batterien sind so etwas wie der heilige Gral der Batterietechnik. Von allen Materialkombinationen verspricht das System die höchst mögliche Energiedichte. Wenn man eine Energiedichte von 1000 Wattstunden pro Kilogramm erreichen könnte, dann kann man mit 100 Kilogramm Batterie rund 600 Kilometer weit fahren. Das ist dann ganz sicher der Durchbruch für die Elektromobilität, auch auf der Langstrecke. Allerdings ist der Weg dahin noch sehr steinig, und es ist auch nicht gewiss, dass er bei nur ausreichend Forschungsaufwand und Zeit im Erfolg endet. Eine Fahrzeugbatterie muss neben der Energiedichte und einem günstigen Preis auch über weite Temperaturbereiche funktionsfähig sein. Sie muss sich gut und bei akzeptablem Wirkungsgrad wieder aufladen lassen. Sie muss absolut sicher sein, damit so etwas wie beim Dreamliner nicht passiert. Und es müssen Lebensdauern erreicht werden, die möglichst der Fahrzeuglebensdauer entsprechen. In der Summe werden dann wohl bei einigen Eigenschaften Abstriche gemacht werden. Und vielleicht wird es sich erst in zehn oder 15 Jahren zeigen, welche Ziele realistisch erreichbar sind.

Politik und Wissenschaft reden von der Hochlaufphase der Elektromobilität bis 2020. Sehen Sie die Entwicklung im Zeitplan?
Die technologische Entwicklung kommt aus meiner Sicht gut voran. Automobilhersteller und Zulieferer haben inzwischen kompetente Fachabteilungen aufgebaut, und die meisten Hersteller planen die Markteinführung von Elektroautos spätestens bis 2014. Jetzt ist eine deutliche Unterstützung der Markteinführung durch die Politik notwendig. Ansonsten sind die für Preissenkungen notwendigen Stückzahlen nicht zu erreichen, und die Hersteller werden sich teilweise wieder zurückziehen.