Der Autozulieferer Bosch präsentiert diese Woche auf der Internationalen Automobilausstellung (IAA) in Frankfurt eine neuartige Batterietechnologie, die nach Angaben von Bosch die Reichweite von Elektro-Autos verdoppelt und die Kosten senkt. Elektrofahrzeuge wie der BMW i3 oder der Nissan Leaf, die heute mit einer Batterieladung im Schnitt etwa 150 Kilometer Reichweite schaffen, sollen dann mehr als 300 Kilometer weit fahren. Gleichzeitig ist der Batteriepack um rund 75 Prozent kleiner und um die Hälfte leichter.
Ein Batteriepack, der heute im Elektrokleinwagen VW e-up etwa 18,8 Kilowattstunden leistet, wiegt stolze 230 Kilogramm. Mit den neuen Bosch-Akkus wären es nur noch rund 115 Kilo, die zudem nur ein Viertel des Bauraumes in Anspruch nehmen – eine enorme Erleichterung für die nach wie vor ziemlich schweren Elektroautos.
Neue Technologie hat enorme Vorteile
Bosch hat für diesen Durchbruch das Start-up-Unternehmen Seeo aus dem kalifornischen Hayward zu einem nicht näher genannten Preis übernommen.
Das 35-Mitarbeiter-Unternehmen hat eine neuartige Festkörperzelle für Lithium-Batterien entwickelt und mit mehreren Patenten abgesichert. „Die Festkörperzelle könnte eine entscheidende Durchbruchstechnologie sein“, sagt Volkmar Denner, Vorsitzender der Geschäftsführung der Robert Bosch GmbH.
Technische Hintergründe zu Akkus
Eine Batterie hat die Aufgabe, beim Aufladen möglichst viele Elektronen aufzunehmen und diese mit möglichst wenigen Verlusten zu speichern. Beim Entladen gibt sie die Elektronen dann wieder ab, um mit diesem Strom zum Beispiel einen Elektromotor oder ein Handy zu betreiben.
Im Akku übernehmen die sogenannten Lithium-Ionen diese Speicheraufgabe: Diesen Atomen fehlt ein Elektron. Daher sind sie elektrisch positiv geladen. Beim Aufladen strömen negativ geladene Elektronen in den Akku und sammeln sich in einem dichten Geflecht aus dem leitfähigen Kohlenstoff Graphit. Dorthin wandern dann auch die positiv geladenen Lithium-Ionen. Jedes von ihnen bindet ein Elektron – man könnte auch sagen, dass jedes Ion ein Elektron festhält, um die Ladungsneutralität zu gewährleisten. Beim Entladen des Akkus verlassen die Elektronen das Graphit nach und nach wieder. Damit wandern auch die positiv geladenen Lithium-Ionen aus dem Graphit-Netzwerk heraus. Später kann der Ladezyklus dann von neuem beginnen.
Je mehr Lithium-Ionen in einen Akku hineinpassen, umso mehr Elektronen und damit Energie können auf gleichem Raum gespeichert werden. Daher arbeitet Bosch schon länger unter anderem daran, den Graphit-Anteil zu reduzieren oder ganz auf das Graphit zu verzichten. Dies würde die Energiedichte des Akkus deutlich steigern. Das scheint jetzt dem Start-up Seeo, das Bosch gekauft hat, gelungen zu sein.
Der Grund für die freudigen Töne: Batterien bestehen aus vielen einzelnen Zellen. In der Zellchemie spielt das Material der Plus- und Minuspole (Anode und Kathode) eine entscheidende Rolle. Bei der aktuellen Lithium-Ionen-Batterie ist die Energiedichte und damit die Leistungsfähigkeit dadurch begrenzt, dass die Anode zu großen Teilen aus Graphit besteht.
Lithium ist, wie mancher aus dem Chemieunterricht noch weiß, ein sehr reaktionsfreudiges Element: Schmeißt man ein Stück in Wasser, verbrennt es unter heftiger Wärmeentwicklung. Um diese Reaktion zu verhindern, ist das Lithium in der Lithium-Ionen-Zelle mit eher reaktionsträgem Graphit geschützt. Das wiederum senkt aber die Energieausbeute der Zelle.
Die neue Festkörperzelle hat in ihrem Inneren eine Anode aus massivem Lithium und ein nanostrukturiertes Verbundmaterial aus Festkörper-Polymeren. In der neuartigen Festkörperzelle fehlt die Flüssigkeit und auch das schützende Graphit. Die reine Lithium-Anode wäre ein großer Innovationssprung im Aufbau der Batteriezelle.
Akkus könnten günstiger werden
Diese Kombination hat im Vergleich zur herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie enorme Vorteile:
Doppelter Energiegehalt
Die Zelle kann nicht brennen und ist damit sicherer als Lithium-Ionen-Akkus
Sie ist 75 Prozent kleiner und damit deutlich leichter
Die Haltbarkeit ist mindestens so gut wie die jetziger Lithium-Ionen-Akkus
Weil die neue Batterie sich zudem weitgehend mit der bekannten Technik in herkömmlichen Lithium-Ionen-Produktionsstätten herstellen lassen soll, halten sich die Kosten in Grenzen. Bosch geht sogar davon aus, dass der Batteriepack von morgen, der mindestens 300 Kilometer Reichweite haben wird, kostengünstiger ist als der, der heute in Elektroautos mit etwa 150 Kilometer Reichweite verbaut ist.
Bosch hat jetzt durch den Kauf des Start-ups erste Musterzellen, die das Potenzial besitzen, den hohen Anforderungen der Automobilindustrie an Haltbarkeit und Sicherheit gewachsen zu sein.
Kunden scheuen vor Elektroautos zurück
Die Ziel des Autozulieferers Bosch ist es, in den nächsten fünf Jahren die Dauerhaltbarkeit des Materials im Alltag zu sichern und dann die Massenproduktion der Zellen aufzubauen. Dabei vertraut der weltgrößte Automobilzulieferer auf das Joint Venture namens Lithium Energy and Power, das Bosch 2014 zusammen mit GS Yuasa und der Mitsubishi Corporation gegründet hat.
Trotz der derzeitigen Ernüchterung auf dem Elektromobilitätsmarkt – die Kunden lassen Elektroautos wegen zu hoher Kosten, kurzer Reichweiten und langer Ladezeiten links liegen – bleiben die Stuttgarter bei ihrer Prognose: Im Jahr 2025 werden danach weltweit rund 15 Prozent allerweltweit gebauten Neufahrzeuge einen elektrischen Antrieb haben. In Europa wird sogar ein Drittel aller Autos elektrisch angetrieben.
Produktion möglicherweise in Deutschland
Bosch hatte in den vergangenen Jahren gezielt nach einem Unternehmen und Forschern gesucht, die die Zellchemie der Lithium-Ionen-Batterie verbessern. Seit etwa zwei Jahren stehen die Bosch-Verantwortlichen mit dem 2007 gegründeten Seeo und seinem Chef, dem Physiker Hal Zarem, in engem Kontakt.
Es gibt, so ein Bosch-Sprecher, noch mehrere Forschergruppen, die an Festkörperbatterien arbeiten. Dass die Technik prinzipiell funktioniert, hat beispielsweise das französische Unternehmen Blue Solutions bewiesen, das zum Mischkonzern Bolloré gehört.
Mit welchen Hindernissen Elektroautos kämpfen
Noch sind die reinen E-Autos deutlich teurer als ihre Benzin-Pendants. Ein Beispiel: Der E-Golf von Volkswagen ist ab 35 000 Euro zu haben. Ein Golf mit vergleichbarer Ausstattung kostet nur 24 150 Euro. Doch das könnte sich ändern. Laut Berechnungen des Ingenieurbüros P3 sind Elektrofahrzeuge ab dem Jahr 2018 beim Preis wettbewerbsfähig, wenn nicht sogar im Vorteil. Dabei werden neue Batterien zu Grunde gelegt, die einen höheren Nickelanteil vorweisen.
Die Batterietechnologie, die für den Preis verantwortlich ist, ist auch der Grund für einen weiteren Knackpunkt: Für den E-Golf gibt Volkswagen eine Reichweite zwischen 130 und 190 Kilometern an. Für eine Fahrt in den Urlaub dürfte das kaum reichen, zumal die Zahl der Ladepunkte in Deutschland im Vergleich zu den herkömmlichen Tankstellen noch klein ist. Auch das dürfte sich aber mit der Weiterentwicklung der Batterietechnologie ändern.
Vor allem auf dem Land kann die geringe Reichweite zum Problem werden. Deutschland liegt laut der Nationalen Plattform Elektromobilität mit 4800 Ladepunkten an 2400 Standorten im internationalen Mittelfeld. Nach dem Willen der EU Kommission sollen bis 2020 in Deutschland 150 000 öffentlich zugängliche Ladestationen entstehen. Zum Vergleich: Laut ADAC lag die Zahl der herkömmlichen Tankstellen 2013 bei 14 328.
Smart-Chefin Annette Winkler spricht sich schon lange offen für eine Förderung von E-Autos aus. Das müssen nicht unbedingt finanzielle Anreize sein: Der Bundestag erlaubte jüngst Städten und Gemeinden, kostenlose Parkplätze für E-Autos zu reservieren und ihnen die Nutzung von Busspuren zu erlauben. Ob das ausreicht, zweifelt unter anderem VDA-Präsident Matthias Wissmann an. Er fordert finanzielle Impulse - wie zum Beispiel Sonderabschreibungsregeln für Firmenwagen. In anderen Ländern wie den USA, China oder Frankreich bekommen Käufer Cash vom Staat beim Kauf eines E-Autos.
Nach Zahlen des Kraftfahrtbundesamtes (KBA) rollten Ende 2014 knapp 19 000 reine E-Autos auf deutschen Straßen. Die Zahl der sogenannten Plug-In-Hybride, die die Bundesregierung zu den E-Autos zählt und die sowohl an der klassischen Tankstelle als auch an der Steckdose betankt werden, lag bei 108 000. Insgesamt waren 44,4 Millionen Pkw in Deutschland unterwegs. Das Ziel der Bundesregierung von einer Million elektrisch betriebenen E-Autos bis 2020 liegt damit noch in weiter Ferne. An der Auswahl kann es nicht liegen: Im vergangenen Jahr kamen laut Verband der Automobilindustrie (VDA) 17 neue Serienmodelle mit Elektroantrieb auf den Markt. 2015 sollen noch einmal zwölf weitere hinzukommen. Selbst der elektroskeptische Porsche-Chef plant offenbar mit einem E-Auto: Zuletzt schloss Müller nicht mehr aus, dass das bis Ende des Jahrzehnts geplante nächste Porsche-Modell rein elektrisch betrieben wird.
Aber niemand ist wohl technisch so weit wie Seeo gewesen und hatte funktionierende Zellen vorweisen können, die für den Automobilbereich auch tauglich sind. Die müssen dann beispielsweise bei minus 30 Grad genauso funktionieren wie bei plus 40 Grad Celsius. Und sie dürfen nach 1000 Ladezyklen noch nicht schlapp machen.
Im Unternehmen selbst, so ist zu hören, ist die Euphorie über die neue Technik viel größer, als die öffentlichen Verlautbarungen vermuten lassen. Es sieht ganz so aus, als wenn Bosch jetzt eine Technik im Portfolio hat, die der Elektromobilität und damit einer umweltfreundlichen Mobilität einen wichtigen Push geben könnten. Martin Winter, Professor an der Universität Münster und wissenschaftlicher Leiter des Meet-Batterieforschungszentrums, hält das Unternehmen Seeo und deren Polymer-Elektrolyt-Technik „für sehr spannend“. „Aber erfahrungsgemäß sind die letzten fünf Prozent der Batteriezellentwicklung die schwierigsten“, sagt Winter.
Wenn die Zellen im Auto funktionieren, steht als nächstes die Frage an, wo die neuen Batteriezellen hergestellt werden: „Ist der technologische Durchbruch da, werden wir natürlich über eine Zellfertigung nachdenken. Ob Bosch in die Zellfertigung einsteigt, werden wir in den nächsten zwei bis drei Jahren entscheiden“, sagt Rolf Bulander, Bosch-Geschäftsführer. Sie werde dort entstehen, wo die Nachfrage am größten ist. Denn Batteriezellen lassen sich nicht ganz so einfach wie ein Stück Stahl über die Weltmeere karren. „Für den Standort Deutschland wäre es wünschenswert, dass die Zukunftstechnologie Batterie über eine Zellproduktion in Deutschland verankert ist“, sagt der Münsteraner Batterieexperte Winter.
