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Batterien in Elektroautos Wie miese Akkus Elektroautos ausbremsen

Über den Erfolg von Elektroautos entscheidet vor allem die Reichweite der Akkus. Doch der große Durchbruch ist nicht in Sicht – denn die Autobauer haben die Macht über die Entwicklung verloren.

Ein Tesla an der Ladestation Quelle: REUTERS

Mal ist es ein Elektroauto, das ohne Aufladen bis zu 1.000 Kilometer fahren kann. Mal ist es ein Akku, der nach nur zwei Minuten am Netz wieder fast vollständig geladen ist. Regelmäßig kursieren Fachartikel mit derartigen Versprechen im Internet. Sie klingen gut, theoretisch zumindest. Denn solche Batterien könnten dem Elektroauto zum lange erwarteten Durchbruch verhelfen.

Die Praxis sieht anders aus. Vor allem die Reichweite eines E-Mobils schreckt Autokäufer nach wie vor ab. Zahlreiche Studien belegen zwar, dass heutige Elektroautos wie ein Nissan Leaf, der VW e-Golf oder ein BMW i3 für viele Alltagsfahrten ausreichen. Überzeugt haben die reellen Reichweiten von 120 bis 150 Kilometern die breite Masse aber noch nicht. 1.000 Kilometer am Stück oder ein Ladevorgang, der genauso lange wie das Auftanken dauert, könnten das ändern.

Die größten Hersteller von Elektroautos in Deutschland

Der Haken: Diese Versprechen sind zwar nicht falsch. Doch auf absehbare Zeit sind sie in einem Serienauto nicht umsetzbar. „Auch Forschungseinrichtungen unterliegen dem Wettbewerb“, sagt Olaf Wollersheim, Projektleiter „Competence E“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Erfolge aus der Grundlagenforschung werden in ihrem Nutzen aus dem Laborversuch auf die spätere Anwendung hochgerechnet. Auf dem tatsächlichen Weg dahin gehen aber häufig mehrere Größenordnungen dieses Nutzens wieder verloren.“

Elektroautos können Benziner nicht 1:1 ersetzen

Einer der Gründe: Faktoren wie die Zuverlässigkeit oder die Verfügbarkeit des Materials werden in der Grundlagenforschung naturgemäß ausgeblendet. „Forscher wollen Wissenschaft betreiben und tolle Ergebnisse erzielen“, sagt Wollersheim. „Ob sie dabei exotische und teure Materialien verwenden, ist in diesem Schritt zweitrangig und das muss auch so sein.“

Auch Dirk Uwe Sauer, Professor für Energiewandlung und Speichersystemtechnik an der RWTH Aachen, dämpft die Euphorie nach einem schnellen Durchbruch. „Batterieelektrische Fahrzeuge, die noch in den Kinderschuhen stecken, können die heutigen Alleskönnerautos, deren Technik seit 100 Jahren weiterentwickelt wird, auf absehbare Zeit nicht 1:1 ersetzen“, sagt der Wissenschaftler. „Stattdessen ist es wichtig, das richtige Elektroauto für den richtigen Kunden anzubieten.“

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

Darunter stellt sich Sauer eine modulare Akku-Technik vor. Mit Modulen, die jeweils 50 Kilometer Reichweite bieten, könnte jeder Kunde seine Batterie auf seine Ansprüche anpassen. „Wer zum Beispiel seinen Arbeitsplatz wechselt und jetzt statt 15 plötzlich 50 Kilometer pendeln muss, kann jederzeit weitere Module nachrüsten lassen“, sagt Sauer. „Es ist widersinnig, dass der Kunde über die Aufpreisliste sein Auto bis ins kleinste Detail individualisieren kann, es bei der Batterie aber nur ein einziges, starres Angebot gibt.“

Neuzulassungen von Elektroautos in Deutschland 2009-2015

Ein Elektro-Kompaktwagen mit der Reichweite eines heutigen Diesel-Autos bleibt also vorerst Utopie. Stattdessen hält Sauer eine Verdopplung der Energiedichte der Batterien in den kommenden zehn Jahren für realistisch.

In Zahlen ausgedrückt wären das rund 300 Wattstunden pro Kilogramm Batteriegewicht statt der heute üblichen 150. Damit könnte ein Elektroauto bei derselben Batteriegröße die doppelte Menge Strom speichern – und in der Folge auch doppelt so weit fahren. Eine andere Möglichkeit: Bei derselben Reichweite würde eine kleinere und deutlich günstigere Batterie ausreichen.

Von diesem Entwicklungsschritt erhofft sich auch Wollersheim viel, ist beim Zeithorizont aber weniger optimistisch. „Eine höhere Energiedichte rechnet sich 1:1 in eine höhere Reichweite um“, sagt der KIT-Forscher. „Eine Reichweite von realen 300 Kilometern zu Kosten eines Fahrzeugs etwa der Golf-Klasse ist auf Jahre nicht in Sicht.“

Ein US-Start-up will diesen entscheidenden Schritt bereits deutlich früher schaffen. Das Unternehmen Seeo hat einen Akkutyp entwickelt, der weitaus mehr Energie speichern kann als heutige Lithium-Ionen-Akkus.

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