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ElektromobilitätBatterien in der Frischzellenkur

Die Batterie des Elektroautos wird in Zukunft effizienter, schneller aufladbar und auch kostengünstiger sein. Denn in den Zellen der Lithium-Ionen-Batterien kommen neue Materialien zum Einsatz.



Professor Andreas Hintennach glaubt an die Zukunft der Lithium-Ionen-Batterien.


Professor Andreas Hintennach glaubt an die Zukunft der Lithium-Ionen-Batterien.
Foto: Mercedes-Benz

Andreas Hintennach ist Professor, Doktor der Chemie und der Medizin. Seit 2011 ist er bei Mercedes-Benz in der Batterieforschung tätig. Diese Zeit umschreibt er so: «Früher habe ich auf die Batteriezellen geschaut, heute habe ich das gesamte Auto im Blick. Es geht immer darum, das optimale Gesamtpaket zu schaffen.» Entsprechend ist auch die Sicht auf seinen Konzern: «Mein Team und ich sind die Schnittstelle zwischen Vorentwicklung und Entwicklung. Wir sind verantwortlich für das Wissensmanagement, also unser Wissen zu teilen und im Unternehmen verfügbar zu machen.»

Der erst 35-jährige Batterieexperte ist überzeugt davon, dass der Lithium-Ionen-Akku noch viel Entwicklungspotenzial hat. Obwohl der Zellaufbau immer ähnlich ist – egal, ob im Smartphone oder in der EV-Batterie –, gibt es immer zwei Metallfolien – zum Beispiel Kupfer und Aluminium. Dazwischen befinden sich mit Kathode und Anode die Pole, zwischen denen die elektrische Reaktion abläuft. Ausserdem braucht es ein so reaktionsfreudiges Metall wie Lithium. Kostenseitig sei es vor allem die Zusammensetzung der Kathode, die noch Sorgen bereite, sagt Hintennach. «Sie besteht derzeit noch aus einer Mischung von Nickel, Mangan und Kobalt. Für die Anode werden Graphit, Lithium, Elektrolyten und ein Separator benötigt.»

Viel Optimierungspotenzial

Natürlich weiss Hintennach auch ganz genau, in welchen Punkten die Autobatterie in den nächsten Jahren verbessert werden muss und kann. Bei der Optimierung der Energiedichte, die dann direkt zu vergrösserter Reichweite führt, rechnet er mit neuen Materialien wie etwas Silizium, das auf der Anodenseite Graphit ersetzen könnte. Dadurch würde der Einsatz von Kathodenmaterialien ermöglicht, die sich mit dem heute noch eingesetzten Graphit nicht vertragen. Ausserdem ermöglicht Silizium eine Erhöhung der Ladegeschwindigkeit – was im EV-Alltag von zentraler Bedeutung ist.

Zudem arbeiten Batterieentwickler kontinuierlich daran, den Kobaltanteil im Aktivmaterial zu verringern. Laut Hintennach konnte dieser Anteil in jüngster Vergangenheit von etwa einem Drittel auf weniger als 20 Prozent verringert werden. Als Ziel gilt der vollständige Verzicht auf den Rohstoff Kobalt, der ja aus politischer, ökologischer und technischer Sicht problematisch ist. Ökologisch weniger bedenklich ist Mangan, das künftig in grösseren Beimischungen verwendet werden könnte.

So ist eine Lithium-Ionen-Zelle aufgebaut.
So ist eine Lithium-Ionen-Zelle aufgebaut.
Grafik: Mercedes-Benz

Bis 2039 will Mercedes in der Produktion grosse CO2-Einsparungen erreichen. Dazu dienen auch Recyclingprogramme, damit die bei der Herstellung der Batterien eingesetzten Rohstoffe wieder in den Produktionskreislauf zurückgeführt werden können. Ein Markt für Sekundärrohstoffe muss sich jedoch erst aufbauen, da Elektroautos noch nicht lange in grösserer Anzahl in Betrieb sind. «In acht bis zehn Jahren wird es eine nennenswerte Anzahl von Fahrzeugbatterien für das Recycling geben. Dann werden vor allem Kobalt, Nickel, Kupfer, und später auch Silizium zurückgeführt», sagt Hintennach. Und ergänzt: «Letztlich ist Elektromobilität auch nur dann wirklich nachhaltig, wenn die Rohstoffe unter nachhaltigen Bedingungen abgebaut werden.»

Neue Technologien

Selbstverständlich steht auch die Frage im Raum, wie es denn nach der Lithium-Ionen-Ära weitergehen wird. Als Alternative sieht der Daimler-Experte beispielsweise die Lithium-Schwefel-Batterie. Schwefel sei ein Abfallprodukt der Industrie, das fast nichts koste, sehr rein sei und sich gut rezyklieren lasse, erklärt er. Zwar seien grosse Herausforderungen bei der Energiedichte zu bewältigen, doch weise diese Technologie eine unschlagbare Ökobilanz auf. Bis sie für Personenwagen verfügbar sei, dürfte es noch rund zehn Jahre dauern. Noch weiter in der Zukunft – nach Schätzung Hintennachs rund 15 Jahre – liegt die Serienreife von Lithium-Luft-Systemen. Ganz ohne Lithium könnte es mit der Magnesium-Schwefel-Batterie weitergehen. Magnesium kennt man aus dem Alltag in Form von Kalk. Das Leichtmetall ist quasi beliebig verfügbar. Allerdings befindet sich die Forschung im Moment noch auf Laborniveau.

Ebenfalls noch mehrere Jahre von der Serienreife entfernt ist die Feststoffbatterie, die Mercedes-Benz schon ab Mitte dieses Jahres versuchsweise im Stadtbus eCitaro einsetzt. «Diese Batterie hat eine sehr hohe Lebensdauer und enthält zudem weder Kobalt noch Nickel oder Mangan. Allerdings ist sie weniger energiedicht, daher relativ gross und zudem nicht schnell aufladbar», gibt Hintennach zu bedenken. Deshalb sei sie vorläufig zwar für Nutzfahrzeuge einsetzbar, für Personenwagen aber noch ungeeignet. Das gilt leider auch noch für Graphen-basierte, metallfreie Batteriesysteme mit wasserbasiertem Elektrolyt. «Sie sind noch meilenweit entfernt», so Hintennach.