Elektroautos: Knackt US-Startup Code für die Superbatterie?

Elektroautos: Knackt US-Startup Code für die Superbatterie?

von Wolfgang Kempkens

Amprius erhält 30 Millionen Dollar für die Verbesserung seiner Akkus: E-Autos sollen damit bis zu 600 Kilometer weit fahren.

Elektroautos der Zukunft haben eine Reichweite von 400 bis 600 Kilometer, dreimal so viel wie jene Fahrzeuge, die heute unterwegs sind. Dafür sollen Lithium-Ionen-Batterien sorgen, deren Pluspole (Anoden) nicht mehr aus Graphit sind, wie die heute eingesetzten, sondern aus Silizium.

Amprius, ein Spin-off der kalifornischen Stanford University, hat jetzt Wagniskapital in Höhe von 30 Millionen Dollar erhalten, um diesen Akkutyp mit einer hohen Energiedichte für den Einsatz in Fahrzeugen weiterzuentwickeln. Bisher gibt es lediglich Lithium-Ionen-Akkus mit Silizium für Kleingeräte wie Smartphones, allerdings werden auch diese noch nicht in Großserie gefertigt.

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Amprius profitiert unter anderem von einer Entwicklung, die Wissenschaftlern an der University of South California gemacht haben. Ihnen ist es gelungen, Silizium eine Unart abzugewöhnen, die den Einsatz in Akkus bisher verhinderte: Es dehnt sich aus und schrumpft während der Lade- und Entladevorgänge. Nach wenigen Zyklen waren die Anoden zerstört.

Die Südkalifornier formten die Anode aber aus porösem Silizium statt aus massivem. Das macht Volumenänderungen zerstörungsfrei möglich und die Ladungsdichte der Batterie verringert sich nicht. Die Forscher hatten nur mit einem entscheidenden Problem zu kämpfen: Sie schafften die theoretisch mögliche Kapazität bei weitem nicht. Sie liegt beim Zehnfachen der heutigen Batterien. Technisch tatsächlich machbar erscheint immerhin das Dreifache.

Kleinstmaterialien sollen helfenHier setzen jetzt die Amprius-Forscher an. Die kleinen Batterien, die das Unternehmen aktuell in seiner chinesischen Produktionsstätte fertigen lässt, sind noch ein Kompromiss. Die Anode besteht aus einer Graphitstruktur, die Silizium umhüllt. Ziel ist es, völlig auf Graphit zu verzichten.

Außer dem porösem Silizium kommen noch zwei weitere Varianten für die Superbatterien in Frage: Nanodrähte aus Silizium oder Nanoröhrchen, vergleichbar denen aus Kohlenstoff. Deren Strukturen liegen, wie der Name schon sagt, im Nanometerbereich (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Bisher gibt es allerdings noch kein kostengünstiges Produktionsverfahren für diese Erscheinungsform des Siliziums.

Amprius stellt seine Nanodrähte derzeit mit einem Verfahren namens Chemical Vapor Deposition her. Dabei setzt sich ein Siliziumgas in einem Vakuumbehälter auf einer Unterlage ab. Der Siliziumfilm wird mit einem lichtempfindlichen Material überzogen. Dieses Sandwich wird durch eine Maske belichtet, die extrem feine Strukturen hat. Durch die Behandlung mit einem Entwickler und durch Ätzen entstehen daraus Nanodrähte. Ein Verfahren, das in der Halbleiterherstellung weit verbreitet ist.

Mit dieser teuren Technik hat Ampius bereits Akkus gebaut, die doppelt so viel Strom speichern wie die, die heute in Smartphones, Tablet-PCs und anderen Kleingeräten Dienst tun. Bis Mitte 2014 wollen sich die Entwickler auf die Verbesserung der heutigen Batterie-Generation konzentrieren. Dann soll eine Pilotanlage in Betrieb gehen, in der Batterien gefertigt werden, die 30 Prozent mehr Strom speichern als die, die Amprius heute herstellt.

Im nächsten Jahr will das Unternehmen dann in die Produktion von Batterien für Autos einsteigen. Hier kommt es, anders als bei Kleingeräten, nicht nur auf das Volumen der Stromspeicher an, sondern auch auf das Gewicht. Heutige Batterien schaffen allenfalls 220 Wattstunden pro Kilogramm. Amprius will die Kapazität zunächst auf 500 Wattstunden hochschrauben.

Außer Amprius arbeiten eine Reihe von etablierten Unternehmen und Startups an der Realisierung von Batterien dieser Art, darunter 3M (USA), Panasonic (Japan), LG Chem (Südkorea) und Nexeon (Großbritannien).

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