Feststoffbatterie und Co.: 3 Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku.

Ob in Handys, Laptops, der Bohrmaschine oder eben in E-Autos – überall liefern Lithium-Ionen-Batterien die Energie. Sie sind aus unserem Leben kaum wegzudenken, ihre Nachteile jedoch nicht von der Hand zu weisen: die noch immer relativ begrenzte Reichweite von Elektrofahrzeugen, ihr Preis sowie die schlechte Umweltbilanz beim Abbau der Rohstoffe, die zum Fertigen einer Lithium-Ionen-Batterie benötigt werden. Eine Alternative könnte die Feststoffbatterie sein. Doch es gibt noch weitere Ideen, um die Akku-Technologie zu revolutionieren. Ein Überblick.

Vor- und Nachteile der Lithium-Ionen-Batterie.

Wie so oft war und ist es eine simple Kosten-Nutzen-Kalkulation, die für den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in E-Autos spricht. Im Vergleich zu anderen Technologien wie beispielsweise einem Nickel-Cadmium-Akku, der heute nur noch selten in Werkzeugen oder alten Handys zu finden ist, bietet eine Batterie, die auf Lithium basiert, einen guten Mix aus Langlebigkeit, Kosten und Energieeffizienz in Relation zu ihrer Größe und ihrem Gewicht. Hinzu kommen weitere positive Eigenschaften wie beispielsweise der fehlende Memory-Effekt. Dadurch gibt es bei einer Lithium-Ionen-Batterie keinen Kapazitätsverlust, auch wenn der Akku häufig nur zum Teil entladen und wieder aufgeladen wird.

Doch lassen sich auch die Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien nicht von der Hand weisen: Menschenrechtsorganisationen kritisieren immer wieder die schlechten Arbeitsbedingungen beim Abbau von Lithium. Dieses wird aktuell insbesondere in Afrika und Südamerika gewonnen; die größten Reserven werden in Chile und Bolivien vermutet. Auch die negativen Auswirkungen des Abbaus auf die Umwelt werden regelmäßig thematisiert. Hinzu kommt, dass der weltweite Lithium-Vorrat nach aktuellen Schätzungen kaum ausreichen dürfte, um alle Fahrzeuge damit zu betreiben. Und auch wenn sich in diesem Bereich bereits sehr viel getan hat, ist die Speicherkapazität und die damit verbundene Reichweite von E-Autos noch immer geringer als die von Verbrennern. Zwar schafft Teslas Model S mittlerweile rund 630 Kilometer mit einer Akkuladung, doch die magische 1000-Kilometer-Marke hat bislang noch kein E-Auto geknackt, das in Serie produziert wird und für die Straße zugelassen ist. Wissenschaftler, die sich mit der Entwicklung von Alternativen beschäftigen, prognostizieren allerdings, dass dies bald der Fall sein könnte. Ob das überhaupt nötig ist, kann man freilich in Frage stellen. Und ob ein E-Auto für dich persönlich das Richtige ist, kannst du mit unserem Test hier herausfinden.

Alternative 1: Die Feststoffbatterie.

Zwar keine 1000, aber knappe 900 Kilometer sollen mit einer Feststoffbatterie, auch Solid-State-Technology genannt, in den Dimensionen aktueller E-Auto-Batterien auf Lithium-Ionen-Technologie möglich sein. Fast noch wichtiger: Der komplette Ladevorgang soll nur wenige Minuten dauern. Ein weiterer Vorteil gegenüber heute gebräuchlicher Lithium-Ionen-Batterien: Die Feststoffbatterien der Zukunft beinhalten keine flüssigen Elektrolyten, die auslaufen oder sich entzünden könnten. Während ein Lithium-Ionen-Akku theoretisch explodieren kann und im Falle eines Brandes so heiß wird, dass er mit konventionellen Methoden kaum zu löschen ist, gibt es diese Gefahr bei der Feststoffzelle nicht. Größter Unterschied zu den heute gebräuchlichen Akkumulatoren sind also die festen Elektrolyten. Die Aufgabe der Elektrolyten ist die Leitung von Ionen zwischen Anode und Kathode (den beiden Polen). Noch befindet sich die Forschung an den Festkörperakkumulatoren jedoch in einem frühen Stadium: Die optimale Materialkombination für Anode, Kathode und Elektrolyt wurde noch nicht gefunden.

Der Kopf hinter dieser Technologie ist der Däne Henrik Fisker, der als Designer unter anderem den Aston Martin DB9 und den BMW Z8 entworfen hat und sich mit Tesla und Elon Musk eine Zeitlang ein Kopf-an-Kopf-Rennen um die Zukunft der Elektromobilität lieferte. Den Sprint hat definitiv Musk gewonnen, doch Fisker hat bereits bekannt gegeben, spätestens im Jahr 2024 Fahrzeuge mit Feststoffzelle auf den Markt bringen zu wollen. Dass die Technologie weit mehr ist als nur eine fixe Idee, beweisen zahlreiche etablierte Autobauer, die ebenfalls ein Feststoff-Eisen im Feuer haben. So arbeitet beispielsweise BMW gemeinsam mit dem Unternehmen Solid Power an einer Feststoffbatterie, und der Volkswagenkonzern hat sich bei dem US-Start-up Quantum Scape eingekauft, das an Feststoffbatterien forscht.

Alternative 2: Wasserstoff und Brennstoffzellen.

Weit mehr als zehn Jahre forscht die Automobilindustrie bereits an der Brennstoffzellen-Technologie. So hat beispielsweise Audi mit dem h-tron schon ein Konzeptfahrzeug vorgestellt, das mittels Wasserstoff komplett elektrisch angetrieben wird. Auch Mercedes, Honda oder Toyota entwickeln diese Technologie aktiv weiter.
Im Gegensatz zu einer Batterie oder einem Akku ist eine Brennstoffzelle kein Energiespeicher, sondern ein sogenannter Energiewandler. Hier wird durch chemische Reaktionen Wasserstoff in elektrische Energie umgewandelt. Der Wasserstoff wiederum kann zuvor in Power-to-Gas-Anlagen CO2-neutral gewonnen werden – den Einsatz von Ökostrom vorausgesetzt.

Mittels Strom wird also zuerst Wasserstoff erzeugt. Dieser kann, ähnlich wie Benzin, innerhalb weniger Minuten ins Auto getankt werden – und während der Fahrt wird er dann ohne größere Verluste wieder in elektrische Energie für den Antrieb umgewandelt. Die Batterie dient hier nur als Zwischenspeicher, der auch zurückgewonnene Bremsenergie aufnimmt.

Mit Brennstoffzellen sind Reichweiten von über 1000 Kilometern theoretisch kein Problem. Noch ist die Technologie zu aufwendig, um wirklich massentauglich zu sein. Dies könnte sich allerdings in den nächsten Jahren ändern.

Alternative 3: Magnesium-Batterien.

Von der Funktionsweise her ähnelt eine Magnesium-Batterie den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Anstelle von Lithium wird jedoch Magnesium verwendet, das nicht nur wesentlich häufiger vorkommt und einfacher zu gewinnen ist, sondern auch noch weitere Vorteile bietet. Bei Magnesium-Batterien kann es beispielsweise nicht zu Kurzschlüssen infolge von Ablagerungen kommen. Auch lässt sich etwa die doppelte Menge Energie bei gleichem Gewicht speichern. Der Einsatz von Magnesium-Batterien könnte die Reichweite von E-Autos also fast verdoppeln.

Problematisch ist allerdings die Lebensdauer, auch Zyklenfestigkeit genannt. Denn noch verlieren Magnesium-Batterien relativ schnell und bereits nach wenigen Ladevorgängen an Kapazität. Dieses Problem in den Griff zu bekommen ist das Ziel von Wissenschaftlern und Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU), die aktuell an dieser Technologie forschen. Sie gehen sogar noch einen Schritt weiter und prognostizieren: Magnesium-Batterien könnten die Reichweite von E-Autos vervierfachen.

Ein Elektroauto wird aufgeladen.
Welche Batterie-Variante sich langfristig durchsetzen wird, bleibt abzuwarten.

Fazit: Viele Alternativen, doch das Problem ist die Masse.

Geforscht wird auf Hochtouren – seit Jahren. Es gibt unterschiedliche Ansätze und gute Alternativen zum Lithium-Ionen-Akku. Ob diese jedoch auch immer schon so nah an der Marktreife sind, wie die Forscherteams behaupten, wird von zahlreichen Analysten bezweifelt. Beispiel Feststoffbatterie: Während Henrik Fisker ihren Einsatz für 2024 prognostiziert, rechnet VW frühestens im Jahr 2025 und Mercedes nicht vor 2030 mit ihrem Einsatz in E-Autos. Ein paar Jahre werden unsere E-Autos also sicherlich noch von Lithium-Ionen-Akkus betrieben werden. Welche Alternative sich dann letztendlich durchsetzt, bleibt abzuwarten. Dass über kurz oder lang die 1000-Kilometer-Marke geknackt wird – das gilt allerdings als ziemlich sicher.

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