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Mobilitätsforschung „Wir wissen nicht, ob die Lithium-Ionen-Batterien nicht doch ein Problem haben"

Mehr Sicherheit, schnelles Laden, hohe Reichweite – und das möglichst mit sinkenden Kosten: Die E-Auto-Offensive der Hersteller setzt Batterieentwickler unter Druck.
11.12.2020 - 14:37 Uhr 1 Kommentar
20,6 Prozent Marktanteil an den Neuzulassungen erreichten reine E-Autos und Plug-in-Hybride im November 2020. Quelle: Bloomberg
Lithium-Ionen-Batterie

20,6 Prozent Marktanteil an den Neuzulassungen erreichten reine E-Autos und Plug-in-Hybride im November 2020.

(Foto: Bloomberg)

Köln Wie weit reicht eine Batterieladung? Wie lange dauert die Pause, bis wieder genug Strom zur Weiterfahrt gezapft ist? Und findet sich am Weg überhaupt eine passende Ladesäule? Ein neues Phänomen rauschte vor einigen Jahren in die Köpfe der Automobilisten: „Reichweitenangst“.

Das Wort schaffte es sogar in den Duden: „Angst davor, mit einem elektrisch oder alternativ angetriebenen Fahrzeug auf der Strecke liegen zu bleiben.“ Es eignet sich prächtig als Kampfbegriff für eiserne Verfechter klassischer Verbrennungsmotoren. Offenbar haben die beim Duden einen Fuß in der Tür. „Ohne Reichweitenangst in den Urlaub fahren“, so lautet ein Anwendungsbeispiel.

Die Furcht vor zu schwachen Batterien konnte die Wende hin zur Elektromobilität zwar bremsen, aber nicht aufhalten. Auch dank staatlicher Kaufprämien und Steuervorteile erleben strombetriebene Fahrzeuge 2020 einen rasanten Aufschwung. Im November machten E-Autos und Plug-in-Hybride laut Kraftfahrt-Bundesamt erstmals mehr als 20 Prozent der Neuzulassungen aus – mit knapp 60.000 verkauften Fahrzeugen. Die Hersteller (OEMs) bauen ihre Modellpaletten um, die Bundesregierung forciert den Aufbau von Ladeinfrastruktur mit einem Masterplan.

Dass der Durchbruch nachhaltig geschafft ist, das glauben auch führende Batterieforscher: „Für den Großteil des Individualverkehrs werden sich E-Autos durchsetzen“, sagt Jens Tübke, Professor am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie in Pfinztal.

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    Er ist auch Leiter der Batterieforschungsfabrik FFB, die mit 700 Millionen Euro öffentlicher Förderung in Münster entsteht. „Das Auto der Zukunft wird vielfältig sein, aber ohne Batterie kann ich es mir nicht vorstellen“, sagt auch Martin Winter, Leiter des MEET Batterieforschungszentrums an der Universität Münster und des Helmholtz-Instituts Münster.

    Allerdings sehen die Wissenschaftler noch eine Reihe von Baustellen. „Die OEMs stehen unter hohem Druck, ihre Fahrzeuge auf den Markt zu bringen“, sagt Winter. „Und die Kunden wollen auch beim E-Auto ein perfektes Produkt.“

    Augenmerk auf Nachhaltigkeit

    Maximale Zuverlässigkeit des Antriebs, schnelles Laden, hohe Reichweite – das sind die Ansprüche vieler Autofahrer, die den Wechsel zur E-Mobilität erwägen. In allen Punkten hängen Fortschritte entscheidend von der Batterie ab. Das gilt auch für die Anschaffungskosten.

    Noch sind E-Autos laut Beratung Horváth & Partners im Schnitt 40 Prozent teurer als vergleichbare Verbrenner. „Mit Blick auf die fallenden Batteriepreise bleibt die Hoffnung, dass Einsparungen in naher Zukunft an die Kunden weitergegeben werden“, kommentieren die Studienautoren. Auch bei der Nachhaltigkeit stehen Batteriehersteller in der Pflicht – sie sollen den CO2-Ausstoß in der Fertigung senken und weniger ökologisch und ethisch bedenkliche Rohstoffe wie Kobalt einsetzen.

    Das nötige Know-how ist in Deutschland vorhanden, sagt FFB-Leiter Tübke. „Von den chemischen Grundlagen bis hin zur Entwicklung und Integration von Batterien ist die Forschung mit vielen Arbeitsgruppen etwa an den Universitäten bestens aufgestellt. Aber es fehlt an Produktionserfahrung.“ Es gehe nun um Wissenstransfer in die Praxis.

    Grafik

    Die Münsteraner Forschungsfabrik soll helfen, die Massenfertigung im Detail zu optimieren. Automobilhersteller können die geförderte Infrastruktur nutzen und ihre Projekte einbringen, die sie dann finanzieren müssen. In Projekten, die das Bundesforschungsministerium fördert, würden viele Prozesse weiterentwickelt, berichtet Tübke.

    So seien verschiedene Verfahren für eine Trockenbeschichtung von Elektroden entstanden. Dies könne die herkömmliche Nassbeschichtung und energieintensive Trockenöfen ersetzen. „Das funktioniert im Labor.“ In der Forschungsfabrik, die Ende 2022 die Arbeit aufnehmen soll, sei es möglich, die Praxistauglichkeit solcher Verfahren zu belegen. „Die Hersteller benötigen solche Blaupausen, bevor sie neue Ideen aufgreifen.“

    Komplexe Wechselwirkungen

    Tübke schreibt der Materialwissenschaft eine zentrale Rolle zu: „Ein Großteil der Batteriezellkosten sind Materialkosten.“ Viele Stellschrauben seien zu beachten, um wirkliche Fortschritte zu erzielen. „Wenn Kobalt ersetzt werden soll, muss die Produktionsumgebung trockener sein“, erläutert Tübke. „Die Materialkosten sinken – aber die Produktion wird teurer. Dieses Wechselspiel ist häufig, und man muss es verstehen.“

    Weiteres Beispiel: Gängige Batterien in Fahrzeugen drosseln die Ladegeschwindigkeit, wenn sie zu 60 Prozent aufgeladen sind. Das soll die Sicherheit erhöhen und das Altern der Zellen verlangsamen. „Das ist legitim“, sagt Tübke. „Aber wenn man das Thema Schnellladen voranbringen will, sind viele kleine Entwicklungsschritte nötig.“

    Wie kann Deutschland seine Stärken als Forschungsstandort ausspielen? Für MEET-Leiter Martin Winter ist es wichtig, flexibel zu bleiben. „Wir müssen für die Autoindustrie mit ihren aktuellen Bedürfnissen da sein“, sagt er. „Aber wir müssen auch darüber hinausdenken. Es kann sein, dass die Industrie in ein paar Jahren genau das Gegenteil von dem fordert, was sie derzeit will.“

    "Für den Großteil des Individualverkehrs werden sich E-Autos durchsetzen." Jens Tübke, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie

    So hätten Autohersteller die heute dominierende Lithium-Ionen-Technik Mitte der Nullerjahre schon abgeschrieben. „Man sagte: Das wird in Asien gemacht – wir können damit hier keinen Blumentopf gewinnen. Und verlangte den Einstieg in andere Batterietechniken: Lithium-Schwefel, Lithium-Luft.“ Doch die schafften es nicht in die Autoserie. „Wäre zu dieser Zeit mehr Geld in die Lithium-Ionen-Technik geflossen, könnten wir heute noch besser dastehen.“

    Aufholbedarf sieht Winter in Deutschland beim Elektrolyten – der leitfähigen Flüssigkeit in der Batterie. „Es gibt bei uns keine Hersteller mehr, das Know-how in der Produktion ist nicht mehr da“, sagt er. Dabei sei der Elektrolyt die zentrale Komponente: „Er ist sehr anfällig für Störungen und beeinflusst mit seinen Reaktionen darauf die Leistung der gesamten Zelle.“

    Mit der Ausgründung E-Lyte will das MEET die Lücke schließen. Die Gründer kreieren maßgeschneiderte Elektrolyte für Hersteller – die sie zum Beispiel in Spezialanwendungen wie in E-Auto-Prototypen einsetzen können. „Wir werden bei E-Lyte keine Tankwagenfüllungen produzieren“, sagt Winter. „Aber falls der Bedarf mit einer Serienfertigung steigt, könnten wir auch Lizenzen an Chemiehersteller vergeben.“

    Bei der Abwägung zwischen Reichweite und Kosten sieht Winter die Autohersteller auf Kurs. Das grundsätzliche Problem, dass die Kosten mit einer zunehmenden Batteriekapazität ebenfalls steigen, würden sie über ihre Modellstrategie lösen. „Autobauer bieten zunehmend günstigere Fahrzeuge mit geringerer Reichweite neben teureren Modellen mit höherer Reichweite.“

    Das Bedienen verschiedener Zielgruppen funktioniere auch über die abgestufte Fahrzeugleistung. „Der Elektromotor ist nicht mehr immer gleich groß. Ich hätte nicht gedacht, dass diese Diversifizierung so schnell gelingt“, sagt Winter.

    „Die Lithium-Ionen-Technologie ist heute immer noch der Maßstab, an dem sich alle anderen Batterietypen messen müssen“, sagt Winter. Hier gehe es vor allem um die Senkung des Kobalt-Anteils in der Kathode. Daneben erforscht das MEET auch andere Varianten, etwa die Lithium-Metall-Batterie, die dank höherer Energiedichte mehr Reichweite verspricht.

    Bislang war sie wegen geringerer Lebensdauer außen vor. Für Winter ist elementar, auch vermeintlich unterlegenen Technologien eine Chance zu geben. „Wir wissen nicht, ob die Lithium-Ionen-Batterien nicht doch ein Problem haben, das wir nur noch nicht kennen“, sagt er. „Wer vorn sein will, muss sich erlauben, nicht nur auf eine Sache zu setzen.“

    Mehr: E-Mobilität – „Es ist schon mal eine Rechnung über 1000 Euro eingegangen – für eine Stunde Laden“.

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    • Genau dieser Spruch:Für den Großteil des Individualverkehrs...!, ist daneben. Die E-Fahrzeuge die jetzt dank der Geldgießkanne verkauft wurden wären ohne nie verkauft worden. Das Erwachen vieler Neu-E-Autobesitzer wird den Dingern einen heftigen Schlag versetzen und dann wird auch die Geldsprize nicht mehr helfen. Die Ladeinfrastruktur kommt absolut sicher nicht hinterher, da sind die Stromnetze vor. Die permanente Selbstbeweihräucherung dieser "Experten" die es nicht schaffen über den eigenen Tellerrand zu schauen hilft da auch nicht. Wie gut Erkenntnisse an Universitäten in eine wirtschaftliche Entwicklung oder Produktion umgesetzt werden können, läßt sich doch am Beispiel des hochgelobten E-Scooters der Deutschen Post nachverfolgen. Wo sind die Dinger gelandet? Wer wollte die ausgelagerte Firma kaufen? Wieviel der Spielzeuge laufen noch? Waren auch solche Experten.

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