Batterie-Technologie : Revolution am Minuspol: Kommt jetzt das superschnelle Laden?

Batterien sind immer leistungsfähiger geworden – doch die Anode, der Minuspol der Zellen, hat sich kaum verändert. Ein niederländisches Start-up will nun einen Durchbruch für Verbesserungen am Minuspol erzielt haben.

Schneller Laden, bitte: Dank neuer Materialien am Minuspol von Akkus könnte das bald möglich werden

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Wohl kaum eine Technologie hat in den vergangenen Jahren so eine rasante Entwicklung genommen wie die Lithium-Batterie. Gerade mal gut 30 Jahre ist es her, dass ein Team aus japanischen, kanadischen und britischen Elektrochemikern die Lithium-Ionen-Zelle entwickelt hat. Inzwischen haben die drei dafür den Chemie-Nobelpreis bekommen, und Lithium-Ionen-Zellen sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Neben E-Autos und E-Bikes treiben sie Handys, Laptops, Akkurasenmäher und -werkzeuge; sie sichern wichtige Geräte wie Krankenhaus-Monitore oder Mobilfunkmasten gegen Stromausfälle ab, treiben tonnenschwere Loks und sogar Fähren an – und nicht wenige Ingenieure glauben, damit bald auch fliegen zu können.

In Zahlen hat die Lithium-Ionen-Zelle ihre Energiedichte – also die Menge an Strom, die sie pro Kilogramm Gewicht oder pro Kubikzentimeter Volumen speichern kann – in den vergangenen zehn Jahren fast vervierfacht, von etwa 100 Wattstunden pro Liter auf 396. Auch die Lebensdauer hat sich vervielfacht, von rund 300 Ladezyklen auf mehr als 5000, und der Preis ist dank Massenproduktion, sparsameren Materialeinsatzes und besserer Produktionsverfahren seit 2010 um über 90 Prozent gesunken.

Doch die Lithium-Batterie heutiger Prägung hat ein Problem: ihren Minuspol. „Nahezu alle technischen und elektrochemischen Fortschritte fanden an der Kathode, dem Pluspol statt“, sagt Dirk-Uwe-Sauer, Professor für Elektrochemie an der RWTH in Aachen. „Der Minuspol, die Anode, sieht dagegen noch immer fast genauso aus wie vor 30 Jahren.“ Sie besteht aus Grafit, einer speziellen Struktur aus Kohlenstoff.

Grafit macht Autobauer abhängig von China

Grafit ist ein natürliches Material und wird derzeit fast ausschließlich in China abgebaut und zur Batteriereinheit aufgearbeitet; die Abhängigkeit von China ist für westliche Autobauer und andere Batteriekunden ein Problem. Das Grafit begrenzt aber auch das elektrochemische Potenzial der Batterie. „Es ist der Flaschenhals für noch mehr Leistung, Energiedichte und auch für schnelleres Laden“, sagt Sauer. Und es ist schwer: Fast 200 Kilogramm der rund 600 Kilo eines E-Auto-Akkus entfallen auf die Minuspole, also auf das Grafit.

Lithium-Ionen wandern beim Laden und Entladen zwischen den beiden Polen hin und her; davon, wie viele in welcher Zeit sich dort einlagern lassen, hängen unter anderem Leistung, Kapazität und Ladetempo einer Batteriezelle ab. Während auf dem Pluspol in den vergangenen Jahren zahlreiche Durchbrüche erzielt wurden, begrenzt das Grafit diese Parameter auf der Minusseite. Das liegt an der Gitterstruktur des Grafits, erklärt Sauer: „Man braucht pro Lithium-Ion sechs Kohlenstoffatome, um es einzulagern. 90 Prozent des Grafit-Materials lassen sich nicht elektrisch laden, es geht für die Stabilität und Lebensdauer der Struktur der Anode drauf“, sagt der Chemiker.

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Startup E-Magy könnte Lösung gefunden haben

Das niederländische Startup E-Magy könnte nun einer Lösung einen entscheidenden Schritt näher gekommen sein. Schon seit einigen Jahren experimentieren Forscherinnen und Hersteller mit Silizium statt Grafit auf der Anodenseite. Silizium ist deutlich leichter als Grafit, „und man braucht wesentlich weniger Silizium-Atome, um die ladungstragenden Lithium-Ionen einzulagern, als Kohlenstoff-Atome beim Grafit“, so Batterieforscher Sauer. „Ein Silizium-Gitter kann mit 32 Silizium-Atomen 28 ladungstragende Lithium-Ionen einlagern; bei Grafit braucht man 72 Kohlenstoffteilchen für 7“, erklärt Sauer. „Dadurch wird die Batterie nicht nur viel leichter pro gespeicherter Kilowattstunde Strom, sie lässt sich auch viel schneller laden.“

Schneller schlau: Diese Begriffe müssen E-Auto-Fahrer kennen

Von A wie Akku bis C wie Chademo

Akkumulator: Ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Im engeren Sinne ist mit Akkumulator beziehungsweise Akku lediglich eine einzelne Speicherzelle gemeint, allgemeinsprachlich werden aber auch die zusammengeschalteten Speicherelemente wie sie im E-Auto vorkommen als „Akku“ bezeichnet. In vielen Fällen wird der Begriffe „Batterie“ heute synonym verwendet, lediglich, wenn speziell die Wiederaufladbarkeit betont werden soll, empfiehlt sich das präzisere „Akku“.Ampere: Das ist die Einheit der elektrischen Stromstärke (A). Stellt man sich den Stromfluss analog als Fließen von Wasser durch ein Rohr vor, entspricht die Stromstärke dem Rohrdurchmesser. Der Wasserdruck ließe sich mit der Stromspannung (V) gleichsetzen. Beide Faktoren gemeinsam entscheiden, wie hoch die Leistung ist, die für den Betrieb eines Wasserrades oder Motors zur Verfügung steht.Bidirektionales Laden: Elektroautos können Strom nicht nur tanken, sondern auch ins Netz zurückspeisen. Diese Fähigkeit bezeichnet man als bidirektionales Laden. Künftig sollen E-Mobile so Teil intelligenter Stromnetze („Smart Grid“) werden und etwa überschüssigen Strom aus Wind- oder Solaranlage zwischenspeichern und bei Bedarf ins Netz zurückspeisen (Vehicle 2 Grid, V2C).Bordlader: Das On-Board-Ladegerät im Elektroauto ist für das Laden von Wechselstrom nötig – also für das Tanken an Wallbox, Normalladesäule oder Steckdose. Seine Leistung bestimmt, wie schnell die Batterie aufgefüllt wird. Wer sein Auto regelmäßig fährt und entsprechend häufig an der Steckdose hängt, sollte ein Modell mit mehrphasigem Lader wählen. Der arbeitet rund zwei- bis viermal so schnell.CCS: Steht für „Combined Charging System“ und ist die deutsche Version des Schnellladesteckers, der auf dem gängigen Typ-2-Stecker basiert und ihn um zwei weitere Pole (Combo 2) ergänzt. Der CCS-Stecker hat sich heute bei den deutschen und europäischen Herstellern durchgesetzt, unter anderem verlangt die deutsche Ladesäulenverordnung (LSV) sein Vorhandensein an neuen Gleichstrom-Schnellladesäulen. Auch Tesla rüstet seine Autos in Europa mittlerweile mit CCS-Buchsen aus. Der wichtigste Konkurrenz-Standard ist das Chademo-System eines japanischen Konsortiums, das vor allem von japanischen und französischen Autos unterstützt wird.Chademo: Abkürzung für „Charge de Move“ und Bezeichnung des japanischen Schnellladesteckers-Systems, das vom Energiekonzern Tepco und den Autoherstellern Nissan, Mitsubishi, Toyota und Subaru entwickelt wurde. Die typische Ladeleistung liegt bei 50 kW, es sind allerdings auch höhere Werte möglich. Konkurrenzstandard ist das deutsche CCS-System, beide Steckertypen sind nicht kompatibel. Die deutsche Ladesäulenverordnung schreibt zwar für Gleichstrom-Ladesäulen einen CCS-Anschluss vor, nicht aber eine Chademo-Kupplung.

Von E wie E-Auto bis G wie Gleichstrom

Elektroauto: Im engeren Sinne die Bezeichnung für ein batteriegetriebenes E-Auto mit oder ohne Range Extender. Im weiteren Sinne sind bezogen auf ihre Antriebsart auch Brennstoffzellen-Fahrzeuge E-Autos. Die Bundesregierung definiert in einschlägigen Gesetzen und Regeln wie folgt: „Ein Elektromobil ist ein reines Batterieelektrofahrzeug mit einem Antrieb, bei dem alle Energiewandler ausschließlich elektrische Maschinen und alle Energiespeicher ausschließlich elektrisch wieder aufladbare Energiespeicher sind.“ Obwohl Plug-in-Hybride dadurch ausgeschlossen sind, werden sie in einigen Statistiken und Studien gelegentlich den E-Autos zugeschlagen.Energiedichte: Die Energiedichte ist der entscheidende Faktor für das Gewicht der Batterie. Sie bezeichnet die Energiemenge, die pro Masseneinheit oder pro Volumeneinheit einer Batterie gespeichert werden kann, meist angegeben in kJ oder kWh pro Kilogramm. Aktuell liegt der Schnitt bei 150 Wattstunden pro Kilogramm. Zum Vergleich: Die Energiedichte von Benzin beträgt 12.800 Wh/kg.Feststoffbatterie: Die Feststoff- oder Festkörperbatterie ist der große Hoffnungsträger der E-Auto-Hersteller. Im Vergleich mit konventioneller Lithium-Ionen-Technik sind die neuartigen Akkus günstiger, leistungsfähiger und sicherer. Die neue Batterie ersetzt das bisher nötige flüssige Elektrolyt durch ein festes Material. Dadurch steigt die Energiedichte, was mehr Reichweite bei gleichem Bauraum bedeutet. Gleichzeitig entfällt die Notwendigkeit einer Kühlung, was Geld und Gewicht spart. Zudem gilt die Technik als sicherer, da es bei Unfällen nicht zu hartnäckigen Bränden kommen kann.Gleichstrom (abgekürzt DC für „direct current“): die Art Strom, die eine E-Autobatterie speichern kann. Für die Benutzung im E-Motor muss Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Wird am Haushaltsnetz oder an Normalladesäulen getankt, muss der dort verfügbare Wechselstrom in Gleichstrom für die Batterie umgewandelt werden. Die nötige Technik hat das Elektroauto selbst an Bord.

Von I wie Induktion bis L wie Lithium

Induktionsladung: Sie soll das Laden von Elektroautos einfacher machen. Statt den Wagen an eine Steckdose anzuschließen, muss er nur noch über einer Magnetspule geparkt werden, die über ein Gegenstück im Fahrzeugboden den Akku berührungslos auflädt. Theoretisch funktioniert der Vorgang auf entsprechend ausgestatteten Fahrspuren auch während der Fahrt. Die Ladeleistung liegt mit theoretisch bis zu 11 kW im Bereich von normalen Wechselstrom-Ladesäulen.Kilowattstunde: Maßeinheit für Energie. Mit einer Kilowattstunde Strom lässt sich ein Eimer Wasser bei Raumtemperatur zum Kochen bringen. Die Akkus von normalen Elektroautos haben aktuell Kapazitäten zwischen gut 20 kWh und 60 kWh, in Einzelfällen auch rund 100 kWh. Der Stromverbrauch hängt stark von Modell und Fahrweise ab, bei normalen E-Mobilen liegt er jedoch aktuell meist im Bereich von 10 bis 20 kWh auf 100 Kilometern. Die theoretische Reichweite von Elektroautos der Modelle ist aber nicht direkt von der Akkukapazität ableitbar (anders als beim konventionellen Auto, wo die Reichweite sich aus Verbrauch und Tankinhalt ergibt), da die Batterien nie komplett entladen werden dürfen.Ladeleistung: Die Ladeleistung ist das wichtigste Kriterium dafür, wie lang das E-Auto zum Volltanken ans Stromnetz muss. Eine Haushaltssteckdose stellt eine Ladeleistung von rund 2,3 kW zur Verfügung, eine normale Ladesäule oder Wallbox in der Regel rund 10 bis 22 kW, eine Schnellladesäule meist 50 kW bis 100 kW. Sogenannte Ultraschnellladesäulen kommen auf bis zu 350 kW. Um einen E-Auto-Akku mit einer Kapazität von 24 kWh zu laden, müsste er also – vereinfacht gerechnet – rund acht Stunden an die Haushaltsteckdose, während er am Ultraschnelllader schon nach wenigen Minuten voll wäre. In der Praxis sind die Ladezeiten aber länger. Unter anderem, weil längst nicht jedes Auto die von der Ladesäule bereitgestellte Leistung komplett nutzen kann und weil mit wachsendem Akku-Füllstand und zunehmender Erwärmung die Ladegeschwindigkeit abnimmt. Ladepunkt: Viele Ladesäulen bieten die Möglichkeit, mehrere Autos gleichzeitig aufzuladen. Man spricht dann von mehrere Ladepunkten. In offiziellen Statistiken werden häufig Ladepunkte gezählt, die Zahl der Säulen ist deutlich niedriger. In vielen Fällen müssen sich die gleichzeitig tankenden Fahrzeuge die Ladeleistung teilen, wodurch die Wartezeit steigt.Lithium-Ionen-Batterie: Die heute aktuelle Batterietechnik. Gegenüber den zuvor eingesetzten Blei- und Nickel-Metallhydrid-Akkus bieten sie eine höhere Energiedichte. Zudem kennen sie keinen Memory-Effekt. Während ihre Kapazität für Handys und Laptops heute ohne weiteres ausreicht, stoßen sie beim Auto schnell an ihre Grenzen. Ein weiteres Problem ist der hohe Preis.

Von M wie Mildhybrid bis P wie Plug-in-Hybrid

Mild-Hybridsystem: Hybridautos sind auch deswegen relativ teuer, weil ihre Hochspannungs-Komponenten besonders geschützt werden müssen, damit die Insassen bei einem Unfall oder einer Fehlfunktion nicht plötzlich unter Strom stehen. Bei Niedervolt- oder Mildhybrid-Systemen, die statt mit bis zu 400 Volt nur mit 48 Volt arbeiten, könnten die Hersteller darauf verzichten. Aufgrund ihrer niedrigen Kosten eignen sich 48-Volt-Hybridsysteme vor allem für kleine und kompakte Fahrzeuge. Die Niedervolt-Technik ist allerdings weniger leistungsfähig als die Hochvolt-Technik, so dass sich die Hybridfunktionen in der Regel auf das Boosten beim Beschleunigen und Anfahren beschränkt. Trotzdem sollen gegenüber rein konventionellen Antrieben zweistellige Verbrauchsvorteile in Prozent möglich sein.One-Pedal-Driving: Einige Elektromobile lassen sich im Alltag allein mit dem Gaspedal bewegen. Wird es getreten, fährt das Auto, lässt man es los, verzögert es. Und zwar deutlich stärker als ein konventionelles Fahrzeug, bei dem der Fuß vom Gaspedal genommen wird. Das E-Mobil bremst dabei nicht über die Bremsscheiben, sondern mit Hilfe des bordeigenen Generators, der dadurch Bremskraft zurückgewinnt und diese in Form von Strom in der Batterie speichert. Das „Fahren mit einem Pedal“ wird nach einiger Gewöhnung oft als angenehm wahrgenommen. Ein Bremspedal ist zwar noch vorhanden, wird aber nur noch für besonders starke Verzögerung oder im Notfall verwendet.Permanent erregte Synchronmaschine (PSM): Die heute gängigste Bauart von Elektromotoren im Auto und in vielen Haushaltsgegenständen. „Permanent erregt“ heißt, dass im Motor sogenannte Permanentmagnete zum Einsatz kommen, für die teure seltene Erden benötigt werden. Das ist bei der fremderregten Variante (FSM) nicht der Fall. Dort wird das Magnetfeld temporär durch Strom erzeugt – also durch einen Elektromagnet. Das ist in der Produktion deutlich günstiger als die Verwendung permanenter Magnete aus Seltenen Erden, weshalb diese Technik vor allem für eher preissensible E-Autos interessant ist. Oder für solche, bei denen es nicht auf extreme Fahrleistungen ankommt.Plug-in-Hybrid: Eine Art Teilzeit-Elektroauto. An Bord befindet sich in der Regel ein vergleichsweise kleiner Akku, der sich an der Steckdose aufladen lässt und eine rein elektrische Reichweite von rund 50 Kilometern ermöglicht. Danach fährt das Auto mit Hybridantrieb weiter. Der Plug-in-Hybridantrieb galt als Brückentechnologie bis zur Einführung leistungsfähiger Akkus, die auch reinen Elektroautos eine langstreckentaugliche Reichweite ermöglichen. Er verliert jedoch zunehmend an Bedeutung.

Von R wie Radnabenmotor bis T wie Temperaturmanagement

Radnabenmotor: Ein Elektromotor, der nicht zentral im Fahrzeug sitzt, sondern direkt am Rad. Er wurde bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts bei E-Autos wie dem Lohner-Porsche genutzt, ist heute aus dem Großserien-Pkw aber verschwunden, unter anderem, weil sein hohes Gewicht an ungünstiger Stelle für Probleme beim Fahrkomfort sorgt und zudem der Platz für die Lenk-Mechanik eng wird. Das wird auch durch die zahlreichen Vorteile aktuell noch nicht aufgefangen. Dazu zählen unter anderem der Bauraumgewinn im Karosseriekörper, der mögliche Verzicht auf Antriebswellen und der Gewinn an Fahrdynamik und Sicherheit durch die mögliche radselektive Regelung der Antriebskraft.Range Extender: In der Regel ein kleiner Verbrennungsmotor, der mit seiner Kraft nicht die Räder antreibt, sondern einen Stromgenerator, der die Akkus während der Fahrt wieder auflädt. So soll auch nach dem Ende des an der Steckdose gezapften Stromvorrats weiteres Fortkommen möglich sein. Dabei handelt es sich allerdings nur um eine Art Notlösung, da der Motor zwar relativ sparsam ausgelegt ist, am Ende aber nur wenig effizient arbeitet. Lange Zeit setze der BMW i3 auf die Technik – seit die Batteriekapazitäten gestiegen sind, verzichten die Münchner jedoch auf den Hilfsmotor. Mazda hingegen will künftig erstmals ein E-Mobil mit Range-Extender auf Wankelmotorbasis ins Programm nehmen.Rekuperation: Die Rückgewinnung von kinetischer Energie, die ansonsten beim Bremsen in Form von Wärme verloren gehen würde, ist kein Privileg des Elektroautos. Pkw mit Start-Stopp-System nutzen die Technik bereits seit Jahren. Während der gewonnene Strom beim konventionellen Auto zur Entlastung des Generators/Lichtmaschine genutzt wird, kommt er beim E-Auto direkt dem Antrieb zugute. Allerdings fließt nur ein relativ kleiner Teil der Bremsenergie als Ladeenergie in die Batterie zurück.Schieflast: Meint die ungleichmäßige Belastung des Stromnetzes. Diese soll in Deutschland durch deine Schieflast-Verordnung verhindert werden, die das einphasige Aufladen von Elektroautos stark einschränkt. Anstatt die technisch möglichen rund 7 kW können sich betroffene Fahrzeuge hierzulande legal nur 4,6 kW aus dem Netz holen. Dreiphasig ladende E-Autos hingegen tanken mit bis zu 22 kW, also mehr als viermal so schnell. In anderen Ländern können andere Regeln gelten.Schnellladen: Der Begriff wird von jedem Hersteller anders benutzt. In den einschlägigen Gesetzestexten zur E-Mobilität findet man die Definition, alle Ladevorgänge mit Leistungen oberhalb von 22 kW könnten als Schnellladung bezeichnet werden. Eine andere mögliche Abgrenzung wäre Wechselstromladen (AC, bis maximal 44 kW) gegen Gleichstromladen (DC, ab 50 kW). In der Praxis macht die Wahl der Definition kaum einen Unterschied, da es hierzulande faktisch kaum Wechselstrom-Ladepunkte mit mehr als 22 kW Leistung gibt. Auch die Zahl der passenden Fahrzeuge ist eher gering. Neben Schnellladen hat sich zuletzt auch der Begriff Ultra-Schnellladen („High Performance Charging“, HPC) eingebürgert. Damit sind meist die DC-Ladesäulen des Betreiber-Konsortiums Ionity gemeint, die bis zu 350 kW liefern – aktuell der Spitzenwert in Europa.Steckertypen: An der normalen Haushaltssteckdose kann fast jedes E-Auto laden. Darüber hinaus wird es schwierig. Die EU hat sich auf den sogenannte Meneckes-Typ-2-Stecker als Standard an öffentlichen Ladesäulen entschieden, der Stecker wird bereits heute bei den meisten Elektroautos am Ladekabel mitgeliefert. Im europäischen Ausland sind aber aktuell auch andere Steckertypen im Einsatz. Selbst hierzulande uneinheitlich sind die Gleichstrom-Stecker für Schnellladesäulen. Während die deutschen Hersteller auf das CCS-System setzen, nutzen Japaner und Franzosen für ihre Modelle den Chademo-Standard. Die Typen sind nicht kompatibel. Gesetzlich vorgeschrieben werden in Deutschland nur die CCS-Kopplungen.Stromlieferant: Er beliefert die Ladesäulen mit Strom. Für jede Säule kann immer nur ein Lieferant tätig sein. Das Unternehmen ist nicht notwendigerweise auch Betreiber der Ladesäule (CPO) oder E-Mobilitäts-Provider (EMP).Supercharger: Die kostenlosen Stromtankstellen von Tesla für Fahrzeuge der eigenen Marke. Das Tesla-System nutzte in Europa zunächst einen modifizierten Typ-2-Stecker, der anders als sein bei anderen Marken genutztes Pendant auch das Laden von Gleichstrom mit bis zu 250 kW erlaubt. Mittlerweile werden Säulen und Fahrzeuge auf den CCS-Standard umgestellt. Die Batterien von Model S, Model X und Co. können an Superchargern innerhalb weniger Minuten aufgeladen werden – früher generell kostenlos, mittlerweile wird modellabhängig nach Minuten oder Kilowattstunden (33 Cent) abgerechnet. Insgesamt betreibt Tesla nach eigenen Angaben in Europa über 1.800 Ladestationen mit insgesamt knapp 16.000 Ladepunkten, meist an wichtigen Magistralen, um seinen Kunden auch längere Reisen im Elektroauto zu ermöglichen. Fahrzeuge anderer Marken können Supercharger nicht nutzen, Tesla-Modelle hingegen können hingegen an Typ-2- und gegebenenfalls an CCS-Ladesäulen tanken.Superkondensatoren: Im Gegensatz zu Akkus speichern Superkondensatoren Energie elektrisch statt elektrochemisch. Dadurch können sie schneller geladen werden und ihre Energie auch schnell wieder abgeben. Während Superkondensatoren etwa in Blitzgeräten von Fotokameras bereits seit Jahren gängig sind, sind sie im Automobilbau noch relative Neuheiten. Mazda setzt die Stromspeicher etwa für die Bremskraftrückgewinnung ein, in der Formel Eins sind sie bereits Teil des Hybridsystems und stellen Strom zum Beschleunigen zur Verfügung. Volvo experimentiert aktuell damit, aus Superkondensatoren ganze Fahrzeugteile zu fertigen, die dann quasi bauraumneutral in Autos eingesetzt werden können. Allerdings können Superkondensatoren zwar schnell, aber nicht besonders viel Strom laden. Ihre Energiedichte ist extrem gering. Als alleinige Energiequelle für den Fahrzeugantrieb kommen sie daher kaum in Frage; vielmehr werden sie in Zukunft wohl als Ergänzung zu normalen Batterien dienen – vor allem bei der Bremsenergierückgewinnung.Temperaturmanagement: Unter anhaltender Last werden Akkus heiß. Das schlägt nicht nur auf die Leistungsabgabe der Energiespeicher durch, sondern auch auf ihre Fähigkeit, Strom zu speichern. Nach längerer Fahrt oder bei hohen Temperaturen kann es dann schon mal vorkommen, dass an Ladesäulen nicht mehr die volle Leistung abgerufen werden kann. Bekannt geworden ist dieses Phänomen unter dem Namen „Rapidgate“. Einige, aber längst nicht alle E-Mobile verfügen daher über ein Kühlungssystem, das die Batterie auf optimaler Temperatur hält. Andere Hersteller versuchen, dem Problem mit intelligenter Ladesoftware Herr zu werden. Wer viel fährt oder auf schnelles Laden angewiesen ist, sollte trotzdem lieber ein Modell mit aktiver Kühlung wählen.

Von U wie Ultraschnelladen bis W wie Wechselstrom

Ultraschnellladen: Um das Elektroauto wirklich langstreckentauglich zu machen, reicht konventionelles Schnellladen nicht. Die deutschen Autohersteller setzen daher auf das Ultraschnellladen mit bis zu 350 kW über den CCS-Stecker. Ein entsprechendes Stationsnetz wird von dem Joint-Venture-Unternehmen Ionity entlang der europäischen Autobahnen gebaut.Vampirverluste: Alle Elektroautos leiden unter dem Phänomen der Selbstentladung. Das liegt zum einen an unerwünschten chemischen Nebenreaktionen innerhalb der Zellen, die sich auch bei den besten Akkus nicht komplett ausschalten lassen, zum anderen an den Batterie-Überwachungssystemen, die auch im Stand Strom verbrauchen. Durch Fehler in der Produktion können die Verluste allerdings in Einzelfällen besonders stark ausfallen. Wie lange es dauert, bis einem abgestellten E-Auto der Strom ausgeht, hängt von vielen Faktoren ab. Neben dem Füllstand und der Grundqualität des jeweiligen Akkus sowie der Effizienz der Zellüberwachung hat auch die Außentemperatur einen Einfluss. Ein fast leeres E-Auto wochenlang in der prallen Sonne stehen zu lassen, ist keine gute Idee.Verbrauch: Der Stromverbrauch wird mit dem gleichen Labor-Test ermittelt wie der eines Diesels oder Benziners. Angegeben wird er allerdings nicht in Liter pro 100 Kilometer, sondern in der Regel in Kilowattstunden pro 100 Kilometer. Der CO2-Ausstoß wird mit null angegeben, denn die Emissionen bei der Stromherstellung werden nicht berücksichtigt.Volt: Ist die Einheit der elektrischen Spannung (V). Stellt man sich den Stromfluss analog als Fließen von Wasser durch ein Rohr vor, entspricht die Spannung dem Wasserdruck. Die Stromstärke (A) ließe sich mit dem Rohrdurchmesser gleichsetzen. Beide Faktoren gemeinsam entscheiden, wie hoch die Leistung ist. Letztlich also, wie viel Energie für den Betrieb eines Wasserrades oder Motors zur Verfügung steht.Wallbox: Eine fest installierte Ladestation für E-Mobile, in der Regel für die heimische Garage gedacht. Wallboxen gibt es in unterschiedlichen Leistungsstufen, am gängigsten sind solche mit 11 kW. Sie sind meist ausreichend schnell und bedürfen keiner Genehmigung durch den Netzbetreiber. Wechselstrom: (abgekürzt AC für „alternating current“) normaler Haushaltsstrom. Am Gebäude kommt er in seiner dreiphasigen Ausführung als sogenannter „Drehstrom“ an, in der Küche dient er zum Anschließen des E-Herds. In der Schuko-Steckdose tritt Wechselstrom einphasig auf. Beide „Sorten“ können vom Elektroauto getankt werden, müssen an Bord aber in Gleichstrom umgewandelt werden, um in der Batterie gespeichert werden zu können.

Doch bisher scheiterten alle Versuche, Silizium-reiche Anoden zu bauen, an einer Eigenschaft des Materials: Es dehnt sich beim Laden viel zu stark aus. „Grafitgitter werden voll aufgeladen nur rund 10 Prozent größer, reine Siliziumgitter würden sich um über 300 Prozent ausdehnen“, so Sauer. Dass das ein großes Problem wäre in einer Zelle, deren Pole mikrometerdünn auf Kupfer- und Alufolien gewalzt sind, und die aus Sicherheitsgründen ein festes Metallgehäuse umfängt, ist auch für Laien erkennbar. „Den Herstellern ist es bisher mit sehr viel Aufwand nur gelungen, die Siliziumanteile im Grafit auf 6 bis 10 Prozent zu steigern“, sagt Sauer. Das bringt ein bisschen Ladetempo, ist aber weit entfernt von einem Durchbruch.

Niederländische Chemikerinnen und Ingenieure wollen das Problem des aufquellenden Minuspols nun geknackt haben. „E-Magy hat ein neuartiges Siliziummaterial mit einer porösen Struktur entwickelt, die das Aufquellen in den Nanoporen stark eindämmt“ sagt CEO und Co-Gründer Casper Peeters. „Unser Anodenmaterial hat eine um 40 Prozent höhere Energiedichte und ermöglicht eine schnellere Aufladung als bestehende Grafitlösungen, ohne sich so stark auszudehnen.“ Darüber hinaus sei seine Technologie „leicht skalierbar“, da sie kostengünstiges Silizium verwendet, das im Gegensatz zum chinesischen Grafit überall auf der Welt reichlich vorkommt. 

Struktur wie ein Schwamm

Wie genau E-Magy das gelang, will Peeters aus Angst vor neugierigen Wettbewerbern nicht sagen. Nur so viel: „Wir stellen Silizium-Partikel mit besonders feinen Poren her“, so Peeters, „die fertige Struktur ist weniger ein gleichmäßig strukturiertes Gitter, wie der Grafit, sie ähnelt eher einem Schwamm.“ Und genau wie ein Schwamm sich nicht besonders stark ausdehne, wenn er sich voll Wasser saugt, sondern die Wassermoleküle in seinem Innern einlagert, gelinge dies auch mit dem speziellen neuen Anodenmaterial, sagt Peeters.

Auch die Idee, eine Schwammstruktur zu nutzen, sei nicht ganz neu, räumt Peeters ein, „einige Universitäten in den USA, Kanada, Europa und in Fernost experimentieren damit seit etwa zehn Jahren.“ Über ihre Labore kamen sie dabei jedoch nicht hinaus. Bisher nutzte man flüssiges Silizium, das beim Abkühlen wie Kerzenwachs auf einer Tischplatte erstarrt, um die Schwammstrukturen zu erzeugen.

E-magy nutzt gasförmiges Silizium. Damit sei die Silizium-Schwammproduktion erstmals so weit gelungen, dass sich das Verfahren in der Industrie in Großserien umsetzen lasse.

Eine Studie des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg in Ulm hat das im Kern bestätigt. Man habe die E-Magy-Anoden getestet und könne nach 100-maligem Laden bestätigen, dass das Material sich nur um vernachlässigbare fünf Prozent aufquelle, sagt ein Forscher des ZSW.

Nun muss das Verfahren sich nur noch in der Praxis bewähren, dann könnte ein Durchbruch im Schnellladen von E-Autos und anderen Akkus in greifbare Nähe kommen. Im April hat E-Magy einige Investoren, darunter den norwegischen Aluminiumkonzern Hydro, von sich überzeugt und 15 Millionen Euro eingesammelt. Peeters will davon die Pilotfertigung ausbauen und mehr Samples für potenzielle Abnehmer herstellen. Man sei mit mehreren „großen Batteriekonzernen“ in Gesprächen.

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