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Blick auf den Akku der Karosserie eines Elektroautos. Copyright Patrick P. Palej @ fotolia.com

Ein Blick in die Zukunft der Akkutechnik für E-Autos


Der Akku ist die Achillesferse bei Elektroautos, weil er den Motor mit der erforderlichen Energie versorgt und darüber entscheidet, wie hoch die Reichweite ist. Auf dem Markt haben sich in den letzten Jahren verschiedene Akkutechnologien etabliert und die technische Entwicklung schreitet schnell voran.

Welche Trends und Entwicklungen in der Akkutechnik angesagt sind, können Sie in unserem informativen Artikel nachlesen, klären über die Vorteile und Nachteile der Akkus auf und welche Chancen sie am Markt haben.

Die Geschichte des bewährten Lithium-Ionen-Akkus reicht bis in das Jahr 1985 zurück, als der Japaner Akira Yoshino sie entwickelte. Der Akku befindet sich in fast allen mobilen Geräten wie Smartphones, Tablets oder Notebooks und auch im Elektroauto findet diese bewährte Akkutechnologie wegen ihrer hohen Reichweite verstärkt Anwendung. Eine Akkuladung resultiert je nach Elektroauto durchschnittlich bei 200 bis 500 Kilometern. In den nächsten Jahren werden die Reichweiten mit der fortschreitenden Entwicklung auf 1000 und mehr Kilometer steigen.

Trends und Entwicklungen


Der Lithium-Ionen-Akku (LIB) spielt eine wichtige Rolle in der Elektromobilität und ist ein entscheidender Baustein, weil er mit seiner Kapazität über Reichweite und die monatlichen Kosten entscheidet. Die Leistungsdichte und Energiedichte erfährt Optimierungen.

Eine echte Konkurrenz für diese etablierte Akkutechnologie gibt es heute nicht, weshalb der Lithium-Ionen-Akku vorerst der Standard bleiben wird.

Je höher die Energiedichte ist, desto stärker die Reichweite und eine hohe Leistungsdichte resultiert in einer kürzeren Ladezeit. Alle auf dem Markt verfügbaren Batterien vereinen die zwei relevanten Eigenschaften noch nicht in einem ausgewogenen Verhältnis in sich.

Die aktuelle Akkugeneration besteht überwiegend aus Zellen, deren Grundlagen Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid (NCA), Lithium-Nickel-Cobalt-Manganoxid (NCM) oder Lithium-Manganoxid (LMO) ist. Basierend auf der Zellchemie kann sich die Energiedichte auf 90 bis 250 Wattstunden pro Kilogramm belaufen.

Neue Materialkombinationen ermöglichen Optimierungen bezüglich Energie, Sicherheit und Leistung. Die Energiedichte wird mit Einsatz von Lithium-Luft, Lithium-Schwefel, Metall-Luft-Akkus und Lithium-Feststoffbatterien eine massive Verstärkung erfahren, wovon die Elektroautos durch eine höhere Reichweite und Kostenreduktion profitieren werden.


Feststoffbatterien


Der Trend bei Feststoffbatterien (Solid State Battery) geht Richtung Hochenergiekathode und Lithium-Metallanode, die zu einer höheren Leistungsfähigkeit führen werden. Als Träger für die Ladungen zwischen den Elektroden kommen bei Feststoffbatterien feste Materialien zum Einsatz, hierbei sind vor allem Polymere, Glas, Keramik und Hybridstoffe.

Die Sicherheit und Energiedichte sind im Vergleich zu flüssigen Elektrolyten höher. Feststoff-Akkus haben den Vorteil, dass die festen Elektrolyte eine einfache Verkleinerung der Batterien ermöglichen und das Auslaufrisiko der Trägerflüssigkeit ist hier nicht gegeben.

Eine gute Lagerfähigkeit, sehr lange Lebensdauer und Nicht-Entflammbarkeit zeichnen Feststoffbatterien aus, weshalb hier auf Sicherheitsfunktionen wie klassischen Lithium-Ionen-Akkus verzichtet werden kann.


Metall-Luft-Batterien


Die Metall-Luft-Batterien gehören zu den Alternativen der Lithium-Ionen-Akkus, haben eine hohe Energiedichte, kurze Lebensdauer und höhere Reichweite.

Metall-Schwefel-Batterien und Metall-Ionen-Batterien

Der Akkutyp Metall-Schwefel-Batterien weist eine schwächere Energiedichte und gegenüber Lithium-Ionen-Akkus ist die Lebensdauer kürzer. Auf Nickel und Kobalt wird hier verzichtet, weshalb sie umweltfreundlicher und kostengünstiger sind. Von einer Serienreife sind Metall-Schwefel-Batterien noch einige Jahre entfernt.

Die Metall-Ionen-Batterien sind eine weitere spannende Batterietechnologie, die andere Metalle statt Lithium verwenden. Die Metalle vereinen Vor- und Nachteile in sich, wozu etwa Gewicht, Kosten, Größe und verfügbare Ressourcen gehören.

Bild: Copyright GAC
Bild: Copyright GAC

Der GAC Aion V erscheint in zwei Varianten
Der Aion V wird in zwei Versionen angeboten, 3C und 6C. Das C könnte für die C-Rate stehen, die das Verhältnis zwischen Ladeleistung und Akkukapazität angibt. Die maximale Ladeleistung erreicht nur die 6C-Variante mit dem neuen Graphen-Akku, die auf 1.000 Kilometer Reichweite nach NEFZ kommt und bei optimalen Bedingungen in 8 Minuten geladen werden kann laut Hersteller. Die 3C-Version hat 500 Kilometer Reichweite und lädt etwas langsamer in 18 Minuten.



Von der GAC Group wurde im Jahr 2021 ein Durchbruch bei der Schnelllade-Batterietechnologie geschafft, die auf Graphen basiert und im Elektroauto Aion V seit September zum Einsatz kommt. Das Produktionsverfahren ist einfach, stabil und effizient, wodurch die Kosten nach Herstellerangaben auf nur ein Zehntel des klassischen Verfahrens reduziert werden.

Die graphenbasierte Batterietechnologie ist in der Branche führend, hat eine deutlich kürzere Ladezeit und längere Batterielebensdauer. Der Graphenakku behebt zahlreiche Problempunkte reiner Elektroautos. Das Elektroautomodell GAC Aion V lädt die Batterie in weniger als zehn Minuten vollständig auf.

 Bild: Maximilian Wassner / Fraunhofer THM
Bild: Maximilian Wassner / Fraunhofer THM



Das Fraunhofer THM in Freiberg arbeitet mit Aluminium-Ionen-Akkus an einer vielversprechenden Batterietechnologie. Seit rund fünf Jahren wird von dem Forscherteam an einer Zellchemie geforscht, die frei von Lithium ist und auf Aluminium basiert. Theoretisch wird hier eine vierfach höhere volumetrische Energiedichte gegenüber metallischem Lithium geboten.

Die Aluminium-Ionen-Batterie (AIB) der innovativen Forscher verfügt über eine einfache Aluminiumfolie statt einer hochreinen beschichteten Alufolie wie in Lithium-Ionenzellen. Es reicht normale preiswerte Aluminiumfolie aus. Die Vorteile liegen in einer hohen Sicherheit, weil keine Brandgefahr wie bei Lithium besteht.

Die Laborzellen erreichten schon über 10.000 Ladezyklen und mit mehr als 90 Prozent Ladeeffizienz. Der einfache Aufbau ermöglicht eine kostengünstige Herstellung, Aluminium als Ressource unkritisch und muss als Batteriematerial nicht einmal besondere Qualitätskriterien erfüllen. In der AIB können günstige Elektrolyte verwendet werden, die auf Harnstoff basieren. Als eine realistische Anwendung in wenigen Jahren nannte das Fraunhofer THM als Beispiel hochdynamische Netzspeicher in stationären Systemen, weil diese meist kostengünstige Zellen mit hoher Leistungsdichte benötigen.

Zylindrische StoreDot-Zellen Bild: Copyright StoreDot Ltd.
Zylindrische StoreDot-Zellen Bild: Copyright StoreDot Ltd.



Das israelische Unternehmen StoreDot ist der erste Hersteller, der auf Silizium basierende XFC-Akkus für Elektroautos in einer Massenproduktionslinie herstellt. Zum Testen wurden revolutionäre A-Sample-Zellen von der chinesischen Firma EVE Energy hergestellt, die seit November 2021 von Automobilunternehmen im realen Einsatz erprobt werden. Bis zum Jahr 2024 sollen die XFC-Batterien im großen Maßstab produziert werden. Die Batterien lassen sich extrem schnell aufladen und bedeutet eine Revolution für Elektroautos.

Ausblick und Chancen


Die beschriebenen neuen Akkutechnologien befinden sich teilweise noch im Frühstadium ihrer Entwicklung oder haben erst den Laborstatus erreicht. So wird es zehn bis zwanzig Jahren dauern bis wiederaufladbare Metall-Luft-Batterien die Marktreife erreichen und deren Massenproduktion aufgenommen werden kann.

Die StoreDot XFC-Akkus haben eine kurze Ladezeit und sollen bis 2024 die Massenfertigung erreichen. Die Schnelllade-Batterietechnologie der GAC Group basiert auf Graphen und befindet sich mit dem Elektroauto GAC Aion V schon im Einsatz.

Die Metall-Schwefel-Batterien und Metall-Ionen-Batterien benötigen noch einige Jahre bis zur Serienreife. Beide Akkutechnologien verzichten auf Lithium und verwenden stattdessen Metalle, um Strom zu erzeugen.

Fazit


Im Ergebnis befindet sich die Entwicklung neuer Akkutechnologien für Elektroautos auf einen guten Weg. Vor allem Akkus, bei denen auf Lithium, Kobalt, Nickel und seltene Erden verzichtet wird, sind zukunftsweisend. Die StoreDot XFC-Akkus haben eine kurze Ladezeit und werden die Elektromobilität mit Beginn ihrer Massenfertigung ab 2024 vorantreiben.

Lange Ladezeiten, die Reichweite und Brandgefahr sind die Schwachstellen der heute verfügbaren weit verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus. Die Produktionskosten der Lithium-Akkus sind hoch und zeichnet mitverantwortlich für die noch immer hohen Kaufpreise von Elektroautos.

Die Elektroauto-Preise werden in den nächsten Jahren besonders wegen der neuen kostengünstigen Akkutechnologien sinken und somit erschwinglicher für eine größere Anzahl Kunden sein.

Addendum

Titelbild – Blick auf den Akku der Karosserie eines Elektroautos. Copyright Patrick P. Palej @ fotolia.com

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