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Die Batterie, das Herz des E-Autos

Gerald Balser, 15. November 2019

Update: 08.04.20


Die Meldung platzte wie eine Bombe in die Feierlichkeiten. Sie kam vom Tesla-Chef Elon Musk höchst persönlich bei der Entgegennahme seines Preises, des goldenen Lenkrads, in Berlin für den Tesla Model 3. Der Amerikaner plante schon seit geraumer Zeit, in Europa eine Giga-Fabrik zu bauen und die Wahl fiel auf das brandenburgische Städtchen Grünheide im Umland von Berlin. Der Produktionsstart solle bereits 2021 sein. Hoffentlich ist die Standortnähe zur Dauerbaustelle Berliner Flughafen (BER) kein schlechtes Omen.

 

Gebaut werden soll in Grünheide der neue Tesla „Model Y“, aber auch eine Batterie-Fabrik. Die gewünschte Nähe der Batterie- zur Autoproduktion verdeutlicht den hohen Stellenwert der Batterie beim E-Auto und dieser ist vergleichbar mit dem Motor beim Verbrenner.  Die Batterie ist maßgeblich für die Reichweite des E-Autos und die wiederum für die Kaufentscheidung des Kunden. Der kleine Nischenhersteller Tesla aus dem Silicon-Valley in Kalifornien wurde ursprünglich von den Massenherstellern VW, Mercedes & Co. nicht ernst genommen. Tesla als Newcomer nutzte den Vorteil, sich ganz auf die Entwicklung und den Bau von reinen E-Autos konzentrieren zu können. Das Ergebnis waren Autos mit einer völlig neuen Konzeption: außen kompakt, und innen geräumig, sehr leise bei hoher Beschleunigung, wartungsarm.  

 

Knackpunkt war damals und ist auch noch heute die beim E-Auto notwendigen leistungsstarken Batterien. Die sind sehr schwer und auch sehr teuer und bedecken die gesamte Grundfläche des E-Autos. Tesla ging 2008 ein hohes Risiko ein, denn an den Batterie-Problemen war das E-Auto in den Anfängen des Automobils schon einmal gescheitert. Die frühe Zusammenarbeit mit Panasonic und dessen Lithium-Ionen-Akkus war für Tesla und natürlich auch für die Japaner ein Glücksfall. Jedoch machen zurzeit Gerüchte die Runde, Tesla arbeite heimlich an einer eigenen Lösung. Man wird sehen, welche Batterien in Grünheide gebaut werden. Fakt ist jedenfalls, dass Tesla weltweit nicht nur der absolute Marktführer bei den Verkäufen von E-Autos, sondern auch führend in der Reichweite seiner Fahrzeuge ist.


Modell

maximale
Batterie-Kapazität
(kWh)

maximale
Reichweite
(km)

Honda E

35,5

200

VW e-Golf

35,8

200

BMW i3

42,2

310

Peugeot e-2008

50,0

310

Hyundai Kona Elektro

39,2

312

DS 3 Crossback E-Tense

50,0

320

Opel Corsa-e

50,0

330

Peugeot e-208

50,0

340

Renault Zoe z.E.

52,0

342

Mercedes EQV

90,0

405

Audi e-tron

95,0

417

Opel Ampera-e

60,0

423

Kia e-Soul

64,0

452

Kia Niro EV

64,0

455

Mercedes EQC

80,0

471

Jaguar   i-Pace

90,0

480

Tesla Model X

100,0

505

VW ID.3

77,0

550

Tesla Model 3

k.A.

560

Tesla Model S

100,0

590

 

Allerdings, die Aufholjagd von VW mit seinem neuen vollelektrischen VW ID.3, ein Kompaktwagen mit einer Reichweite von bis zu 550 km, trägt bereits Früchte. Dessen „First Edition“ war sehr schnell ausverkauft. Vor wenigen Jahren sah die Batteriewelt noch ganz anders aus. Der VW e-Golf 2016 hatte eine Reichweite nach der damals günstigen NEFZ-Methode von dennoch nur 190 km und beim reinrassigen BMW i3 sah es mit einer Reichweite von 200 km auch nicht viel besser aus. Aber die Reichweitenmöglichkeiten des Lithium-Ionen-Akkus sind noch lange nicht ausgereizt. Experten glauben an eine Reichweite bis zu 800 km. Damit wäre das E-Auto auf dem Niveau des Verbrenners. Die Probleme des Lithium-Ionen-Akkus sind aber noch nicht beseitigt. Bei rapid steigender Nachfrage, könnten die Rohstoffe Lithium, Kobalt und Grafit zum Engpass werden. Außerdem sind Preis, Platzbedarf und Gewicht immer noch viel zu hoch. Und letztlich ist das Problem des Recycling sowie der Brandgefahr noch nicht gelöst.

 

Die Befürworter des E-Autos betrachten die Lithium-Ionen-Batterie allerdings nur als eine Zwischenlösung. Deren Hoffnungen liegen auf der Feststoffbatterie, also einer Batterie ohne Flüssigkeit. Diese Batterie verspricht sehr hohe Reichweiten bei äußerst kurzen Ladezeiten. Andererseits könnte man bei sehr kurzen Ladezeiten und einer sehr guten Infrastruktur an Lademöglichkeiten auf große Reichweiten und damit große Batterien verzichten. Vor wenigen Tagen hat Toyota einen Durchbruch in der Forschung verkündet und will die Feststoffbatterie bereits 2025 anbieten. Auch VW forscht mit Hilfe seines kalifornischen Technologieunternehmens QuantumScape Corporation intensiv an dieser neuen Technik. Aber auch am immer noch aktuellen Lithium-Ionen-Akku wird weiterhin fleißig geforscht. Ziel ist, das seltene Kobalt durch das reichlich vorhandene und leicht zu beschaffende Magnesium zu ersetzen.

 

Toyota und VW sind allerdings nicht die einzigen Hersteller, die an der Feststoffbatterie forschen. Der südkoreanische Elektrokonzern Samsung hat am 10. März 2020 über "Samsung Newsroom" berichtet, einen Prototyp der Feststoffbatterie entwickelt zu haben, der E-Autos eine Reichweite von 800 km verschafft. Bei gleicher Leistung sind diese Akkus nur halb so groß. Klingt alles phantastisch und würde die Batterieprobleme von heute weitestgehend lösen, aber Skepsis ist angebracht. Es wurde schon viel großmundig angekündigt und verschwand anschließend in der Versenkung.


Samsung Presents Groundbreaking All-Solid-State Battery Technology to ‘Nature Energy’

on March 10, 2020  

 

On March 9 in London, researchers from the Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) and the Samsung R&D Institute Japan (SRJ) presented a study on high-performance, long-lasting all-solid-state batteries to Nature Energy, one of the world’s leading scientific journals.

 

Compared to widely used lithium-ion batteries, which utilize liquid electrolytes, all-solid-state batteries support greater energy density, which opens the door for larger capacities, and utilize solid electrolytes, which are demonstrably safer. However, the lithium metal anodes that are frequently used in all-solid-state batteries, are prone to trigger the growth of dendrites1 which can produce undesirable side effects that reduce a battery’s lifespan and safety.

 

To overcome those effects, Samsung’s researchers proposed utilizing, for the first time, a silver-carbon (Ag-C) composite layer as the anode. The team found that incorporating an Ag-C layer into a prototype pouch cell enabled the battery to support a larger capacity, a longer cycle life, and enhanced its overall safety. Measuring just 5µm (micrometers) thick, the ultrathin Ag-C nanocomposite layer allowed the team to reduce anode thickness and increase energy density up to 900Wh/L. It also enabled them to make their prototype approximately 50 percent smaller by volume than a conventional lithium-ion battery.

 

This promising research is expected to help drive the expansion of electric vehicles (EVs). The prototype pouch cell that the team developed would enable an EV to travel up to 800km on a single charge, and features a cycle life of over 1,000 charges.

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