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„Die Batterie-Entwicklung ist gerade unglaublich aufregend“

Der deutsche Chemiker Maximilian Fichtner forscht an der Batterietechnologie der Zukunft. Er sagt: Effiziente Batterien sind der wichtigste Schlüssel für das Gelingen der Elektromobilität.

Text: Patrick Morda und Bernd Zerelles - Animation: Vladislav Solovjov - Foto: Volkswagen AG Lesezeit: 4 min

Abstrakt illustrierte Wellen, die sich bewegen.

Professor Fichtner, kein Bauteil ist für ein Elektroauto so elementar wie die Speicherbatterie. Was ist die beste Batterie für diesen Einsatzbereich?

Eine Batterie, welche die beste Kombination der Eigenschaften Speicherkapazität, schnelle Beladbarkeit, geringe Kosten, Sicherheit und Nachhaltigkeit in sich vereinigt. Welche das genau ist, hängt vom Fahrzeug und seinem Einsatzbereich ab. In der Oberklasse zählt eine große Reichweite. Im Kompaktsegment sollte eine Batterie deutlich günstiger sein, dafür muss sie eine nicht ganz so große Speicherleistung aufweisen.

 

Der Platz für die Batterie in einem Elektrofahrzeug ist begrenzt. Wie muss ein Batteriesystem aufgebaut sein, damit es bei gleicher Größe mehr Speichermaterial aufnehmen kann?

Einige Hersteller arbeiten mit dem sogenannten „Cell-to-Pack-Design“, oder auch „Cell-to-Body-Design“ genannt. Vereinfacht gesagt werden Batteriepacks nicht mehr aus Zellen in Schokoladentafelgröße aufgebaut, sondern in Dielenbrettergröße. Diese größeren Einheiten besitzen weniger totes Verpackungsmaterial und bieten mehr Raum für das eigentliche Speichermaterial. Sie erreichen eine Integrationsdichte von über 70 Prozent, normale Batterien dagegen nur gut 50 Prozent. Wer als E-Auto-Hersteller eigene Batterie-Entwicklungen anstrebt, kann von vornherein diese Technologiesprünge im Design berücksichtigen. Denn man darf nicht so sehr nur auf die einzelne Batteriezelle schauen, sondern muss sich stärker darauf fokussieren, wie man Zellen möglichst raumsparend und groß bauen kann.

 

Welche Fortschritte werden Batterien in den kommenden Jahren machen?

Wir erwarten sprunghafte Fortschritte. Für das Jahr 2023 sind erste Batteriepacks zweier chinesischer Hersteller angekündigt, welche Reichweiten jenseits von 1000 Kilometern ermöglichen sollen. Gleichzeitig soll man damit in der Lage sein, 700 Kilometer Reichweite in weniger als zehn Minuten zu laden. Selbst mich als Forscher überrascht diese Dynamik in der Entwicklung. Das wäre ein großer Sprung in der Batterietechnologie, der noch gar nicht einmal auf neuer Batteriechemie basiert, sondern auf technologischen Maßnahmen.

„Wer als E-Auto-Hersteller eigene Batterie-Entwicklungen anstrebt, kann von vornherein Technologiesprünge berücksichtigen.“

Porträt von Prof. Dr. Maximilian Fichtner.

„Wer als E-Auto-Hersteller eigene Batterie-Entwicklungen anstrebt, kann von vornherein Technologiesprünge berücksichtigen.“

 

Porträt von Prof. Dr. Maximilian Fichtner.
Prof. Dr. Maximilian Fichtner forscht in Deutschland an der Batterietechnologie der Zukunft.

Mehr Details

Mehr über Prof. Dr. Maximilian Fichtner

Prof. Dr. Maximilian Fichtner ist geschäftsführender Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU), das sich mit der Erforschung und Entwicklung von elektrochemischen Batteriekonzepten der nächsten und übernächsten Generation beschäftigt. Am HIU, das 2011 vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründet wurde, forschen rund 150 Wissenschaftler_innen an der Weiterentwicklung der Grundlagen von zukunftsfähigen Energiespeichern für den stationären und mobilen Einsatz. Fichtner ist nicht nur Direktor des HIU, sondern auch Gruppenleiter der Forschungsgruppe Festkörperchemie. Darüber hinaus ist der Chemiker noch Direktor von CELEST, Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe, einer Forschungsplattform, die anwendungsorientierte Grundlagenforschung mit praxisnaher Entwicklung und innovativen Produktionstechnologien verbindet, sowie Sprecher des Exzellenzclusters POLiS, das Batterieforschung an Zukunftsbatterien betreibt, die leistungsfähiger, zuverlässiger, nachhaltiger und umweltfreundlicher sind als derzeitige Lithium-Ionen-Batterien.

Die Leistungsaufnahme wird ja häufig vernachlässigt. Wie ist der Zusammenhang zwischen Laden und Batterietechnologie?

Ja, das stimmt, denn wann fährt man schon einmal 600 Kilometer am Stück? Wichtig bei großen Batterien ist deshalb, dass sie die Möglichkeit bieten, schnell zu laden. Das ist das eigentliche Argument. Wenn man den Akku seines E-Fahrzeugs in zehn Minuten von zehn auf 80 Prozent lädt, nimmt das dem Verbrennungsmotor jedes Argument. Es gibt Materialien, die lassen sich schneller beladen, und solche, die sich langsamer beladen lassen. Technisch gesehen verschieben sich die Lithium-Ionen in der Batterie beim Laden vom Pluspol zum Minuspol, dort müssen sie sozusagen hineinkrabbeln, sich einlagern.

Im Augenblick verwendet man am Minuspol eine Graphit-Schichtstruktur. Es gibt schon Batteriehersteller, die hier Silizium-Kohlenstoff-Komposite einsetzen wollen. Diese sind deutlich schneller beladbar, auch bei tiefen Temperaturen. Da ist materialseitig viel Entwicklungspotenzial. Allein durch diese Materialänderung am Minuspol erhält die Gesamtzelle 30 Prozent mehr Speicherkapazität. Da sind noch unglaublich große Entwicklungssprünge möglich. Abgesehen davon: Wenn Sie eine 60-kWh-Batterie in zehn Minuten laden wollen, benötigen Sie einen Ladeanschluss mit 360 kW Leistung. Das zeigt, dass die Limitierung zurzeit immer weniger auf Batterieseite liegt, als vielmehr bei der Ladeinfrastruktur.

 

Bei einem Smartphone lässt bei häufiger Nutzung die Leistungsfähigkeit der Batterie nach zwei, drei Jahren deutlich nach. Wie lange ist die Lebensdauer einer Batterie eines Elektrofahrzeugs?

Die Batterie im Smartphone ist ganz anders gestrickt und darauf konzipiert, dass Sie das Smartphone nach drei Jahren erneuern. Im Auto ist die Batteriesteuerung viel intelligenter, und die Batterie wird auf vielerlei Art und Weise, zum Beispiel durch intelligentes Lademanagement, vor Überhitzung und anderen schädlichen Einflüssen geschützt. Untersuchungen mit neueren Fahrzeugen zeigen, dass nach fünf Jahren in der Regel noch 95 Prozent Restkapazität der Batterie zur Verfügung stehen. Die Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug ist so ausgelegt, dass sie 2000 Vollzyklen absolvieren kann. Als Beispiel: 2000 mal 500 Kilometer Reichweite macht eine Million Kilometer. Nach diesen 2000 Vollzyklen erreicht die Batterie eine Schwelle von 80 Prozent Restkapazität, was als Kriterium für das Lebensende der Batterie gilt. Die Batterie ist dann aber noch lange nicht kaputt und kann zum Beispiel in einem Stationärspeicher von Photovoltaik- oder Windkraftanlagen noch zehn Jahre gute Dienste tun.

„Die Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug ist auf 2000 Vollzyklen ausgelegt.“

Maximilian Fichtner

Abstrakt illustrierte Kristalle, die sich bewegen.

Weltweit entstehen Gigafabriken zur Batteriefertigung. Reichen die benötigten Batterierohstoffe global aus für die Zellproduktion der kommenden Jahre bzw. Jahrzehnte?

Von der vorhandenen Menge her ja. Allerdings wurden die Produktionskapazitäten noch nicht auf den stark steigenden Bedarf angepasst, sodass es in einigen Bereichen zu Engpässen kommen kann. Wir Forschende versuchen hier Abhilfe zu schaffen, indem wir beispielsweise Kobalt komplett aus den neuen Batterien verbannen und Lithium zukünftig teilweise durch Natrium ersetzen, was den möglichen Rohstoffengpass deutlich mindern wird. In Deutschland werden aktuell elf Gigafactories für Batterien geplant. Das gibt es in keinem anderen Land. Da entsteht ein riesiges Potenzial, das Richtige zu tun. Die entscheidende Frage ist: Produzieren diese Gigafactories nur Zellen, oder kümmern sie sich ums Gesamtsystem?

 

Wie wichtig sind in diesem Kontext Recyclingverfahren von Altbatterien?

Sehr wichtig. Man schätzt, dass etwa ab dem Jahr 2034 bereits die Hälfte der benötigten Rohstoffe aus dem Recycling stammen wird. Derzeit gibt es 38 Batterie-Recycling-Betriebe in Europa, die neue Verfahren entwickeln und ihre Kapazitäten ausweiten. Wenn die großen Mengen aus den E-Fahrzeugen Mitte der 2030er-Jahre ins Recycling kommen, müssen sie vorbereitet sein.

 

Die Batterie macht einen Großteil der Kosten eines Elektrofahrzeugs aus. Was muss geschehen, damit diese Kosten sinken?

Dazu müssen günstigere Rohstoffe verwendet werden, also Rohmaterialien, welche häufig sind, weltweit vorkommen und unkritisch abzubauen sind. Weiter muss die Fertigung neue energie- und zeitsparende Verfahren entwickeln. Neben dem Umschwung zu nachhaltigeren Materialien ist Kostenreduktion der Megatrend in der Batterieproduktion. Das setzt überall an: weniger Platzbedarf, weniger Energieaufwand, weniger Zeiteinsatz. Da ist viel in der Entwicklung, und es geht schneller, als man manchmal denkt. Die Batterie-Entwicklung ist gerade unglaublich aufregend.

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