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Neue Batterietechnologie Der Akku, der die Reichweite von E-Autos verdoppelt

Eine neue Lithium-Batterie von Bosch soll die Reichweite von Elektro-Autos verdoppeln. Zugleich sinken Gewicht, Größe und Kosten dramatisch. Das könnte die Elektromobilität für Verbraucher deutlich attraktiver machen.

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Bosch hat einen neuen Lithium-Ionen-Akku erfunden, der bei weniger Gewicht mehr Leistung bringen soll. Quelle: PR

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

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.

Wo die Batterien für den Leaf entstehen
Alles beginnt mit der Mutterrolle. Die Materialien werden von Nissan in Japan hergestellt und dann in die drei internationalen Batteriewerke des Autobauers geliefert – um dort erst zu Batteriezellen und später zu kompletten Batterieeinheiten weiterverarbeitet zu werden. Auf dieser Mutterrolle sind rund zwei Kilometer Elektrodenmaterial aufgewickelt. Das reicht für sieben Elektroautos. Quelle: Nissan
Vor der Verarbeitung werden die Rollen für Anoden und Kathoden genau kontrolliert und später in etwa Rechtecke von der Größe eines Din-A5-Hefts geschnitten. Bis es soweit ist, muss sich das Material aber erst „aklimatisieren“. Bevor es in die Zellenfertigung – einen rund 8.000 Quadratmeter großen Reinraum – darf, müssen die Rollen auf Zimmertemperatur kommen und in der trockenen Luft jegliche Feuchtigkeit abgeben. Diese würde genauso wie Staub den chemischen Prozess in der Batterie verschlechtern. Quelle: Nissan
Die Zellenfertigung selbst ähnelt eher einem Labor als einer Autofabrik. Im Dezember 2014 hat Nissan erstmals eine Journalistengruppe in die hermetisch abgeriegelte Halle gelassen. Aber nur in Kleingruppen: Zu viele Menschen auf einmal in dem Reinraum würden die Produktion beeinflussen. Bei jedem Atemzug verlieren wir etwas Flüssigkeit, die genauso wie die Körperwärme das Klima im Raum verändert. Bei einer Besuchergruppe von zehn Menschen kommt die Klimaanlage des Reinraums an ihre Grenzen. Quelle: Nissan
Das ist auch einer der Gründe, warum die meisten Prozesse in der Zellproduktion von Maschinen erledigt wird. Die Mitarbeiter im Reinraum warten und befüllen die Maschinen – und kontrollieren in jedem Schritt die Qualität. Fehlerhafte Zellen werden sofort in der Fabrik analysiert, um einen möglichen Fehler in der Produktion so gering wie möglich zu halten. In dieser Maschine werden die Materialrollen in passende Stücke geschnitten und in fünf Lagen miteinander zu einer Zelle verbunden: Außen jeweils eine schützende Folie, innen dann die Anoden- und Kathodenschicht, die wiederum von einem sogenannten Separator getrennt werden. Quelle: Nissan
Diese Zellen aus den fünf Schichten kommen nun zum kritischsten Arbeitsschritt: dem Befüllen mit der Elektrolytflüssigkeit. Ohne diese würde in der Zelle kein Strom fließen. Der Schritt wird in einem weiteren, noch stärker kontrollierten Raum durchgeführt. Diesen dürfen nie mehr als fünf Arbeiter gleichzeitig betreten – und auch nur mit Atemmaske, um keine Feuchtigkeit in den Raum zu bringen. Gelänge in diesem Schritt Feutchtigkeit oder Staub in die Zelle, würde sie nicht funktionieren. Quelle: Nissan
Ist die Zelle befüllt, dicht verschlossen und durch das sogenannte Altern der chemische Prozess in Gang gesetzt, sind die kritischsten Punkte der Produktion überstanden. Im nächsten Schritt werden nach einer weiteren Qualitätskontrolle jeweils vier Zellen in einem Metallgehäuse zu einem Modul verbunden. Quelle: Nissan
Die Module werden nach einer weiteren Kontrolle auf zwei Produktionsstraßen aufgeteilt: Die eine bereitet die Module für den Export nach Barcelona vor, wo sie zu einem Batteriepack zusammengebaut werden und später den Strom im Lieferwagen eNV200 speichern. Der Großteil der Module wird aber in Sunderland selbst zu Batterien verbaut, die dann in einem Nissan Leaf landen. Quelle: Nissan

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

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.

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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.

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