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11-12-2020 | Batterie | Im Fokus | Article

Lithium nicht die einzige Technologie für Traktionsbatterien

Author:
Frank Urbansky
3 min reading time

Derzeit scheint die Lithium-Ionen-Technologie das Rennen zu machen als Standard für Traktionsbatterien bei Elektroautos. Doch auch andere Lösungen sind möglich.

Speichermaterialien für die Traktionsbatterien von Elektroautos werden meist nach einem einzigen Kriterium ausgewählt. "Für Pkw-E-Antriebe werden […] zuerst die Bereiche hoher Energiedichte ins Auge gefasst, weil eine angemessene Reichweite des Fahrzeugs bei ausreichendem Platzangebot für die Akzeptanz der Kunden ein wesentliches Merkmal ist", benennt dies Springer-Vieweg-Autor Michael Trzesniowski in seinem Buchkapitel Elektroantriebe E-Drive auf Seite 231.

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Elektroantriebe E-Drive

Der Antrieb eines Fahrzeugs durch einen Elektromotor ist kein Gedanke unserer Zeit. Er wurde bloß getrieben durch die öffentliche Diskussion zur Reduzierung des Treibhausgases CO2 wieder aufgegriffen. Das erste Straßenfahrzeug, das die 100-km/h-Marke bei einer Rekordfahrt überschritten hat, war ein torpedoartiger Einsitzer im Jahre 1899. Angetrieben wurde der Rekordwagen von zwei 25-kW-Elektromotoren an der Hinterachse. Dass sich der Elektroantrieb bei Straßenfahrzeugen zu dieser Zeit nicht durchsetzen konnte, hatte mehrere Gründe, wovon einer heute noch von Bedeutung ist: Das sperrige Volumen und die große Masse des Energiespeichers, der Batterie.

Die Energiedichte lässt sich dabei zum einen als gravimetrische oder auf das Gewicht bezogene Energiedichte bemessen, die in Wattstunden je Kilogramm (Wh/kg) angegeben wird, oder als volumetrische Energiedichte in Wattstunden je Liter (Wh/l).

Lithium gut und sicher handhabbar

Aufgrund ihrer hohen Energiedichte von 40 bis 200 Wh/kg und ihrer sicheren Handhabbarkeit hat sich die Lithium-Ionen-Technologie bisher weitgehend durchgesetzt. Doch sie steht in der Kritik wegen umweltschädlicher Förderbedingungen vor allem in Südamerika und der nötigen Komponente Kobalt, das häufig in menschenunwürdigen Minen in Afrika von Kindern abgebaut wird. Doch es gibt Alternativen.

Eine wäre die Zink-Luft-Batterie. Sie weist eine der höchsten Speicherdichten von metallischen Stromspeichern auf, und zwar 300 bis 400 Wh/kg. Allerdings wird sie vorranging in kleinen Anwendungen wie Knopfzellen eingesetzt. Als Traktionsbatterie gibt es nur Prototypen.

Auch die Blei-Säure-Batterie käme in Frage. Mit ihr wurden die allerersten Elektroautos vor weit über 100 Jahren angetrieben. Auch der Neustart von E-Autos in den 70ern lief mit diesem Batterietyp. Doch die Energiedichte ist mit 30 bis 40 Wh/kg zu gering und die Handhabung inklusive der Säureentsorgung alles andere als einfach.

Im Gegensatz dazu wären Nickel-Cadmium-Batterien deutlich geeigneter, weil sie robuster und temperaturbeständig sind und viele Ladezyklen ermöglichen. Die Energiedichte von bis zu 240 Wh/kg ist der von Lithium-Ionen-Akkus durchaus ebenbürtig. Allerdings haben sie einen großen Nachteil: Cadmium ist stark giftig und EU-weit für die Massenanwendung verboten.

Die Lösung könnte in Nickel-Metallhydrid-Batterien liegen. Sie kommen ohne Cadmium aus und verwenden stattdessen eine wasserstoffspeichernde Metall-Legierung, behalten dennoch einen Teil der positiven Speichereigenschaften. Allerdings leidet darunter die Energiedichte. Sie ist mit 15 bis 120 Wh/kg deutlich, und zwar um die Hälfte, geringer. Dennoch werden diese Batterien bereits eingesetzt, etwa in Bussen oder Hybridfahrzeugen.

Noch größere Reichweiten durch SALD möglich

Allerdings wird auch an der Lithium-Ionen-Technologie weiter geforscht. Mehrere Fraunhofer-Institute und The Netherlands Organisation haben mit der Spatial Atom Layer Deposition (SALD) eine Technologie entwickelt, bei der ultradünne, sogenannte Atombeschichtungen aufgetragen werden. Angewendet auf Lithium-Ionen-Zellen bedeutet das eine um bis zu 1.000 Kilometer größere Reichweite. Für eine vollständige Aufladung würden nur zwanzig Minuten gebraucht. Dafür wurde auch eine Firma gegründet, die diese Technologie im großen Stil verbreiten soll.

"Moderne Lithium-Ionen-Batterien haben gegenüber Bleibatterien schon heute eine sechsmal höhere Energiedichte, erreichen fünfmal längere Zyklenlebensdauern und weisen eine Leistungsfähigkeit auf, die vor allem im Ladebereich rund eine Größenordnung besser ist", beschreibt ein Springer-Vieweg-Autoren-Kollektiv um Dirk Uwe Sauer in seinem Buchkapitel Speicherung der elektrischen Energie auf Seite 61 einen der Gründe, warum auf die Technologie auch in Zukunft für den Antriebsstrang von Elektroautos nicht verzichtet werden kann.

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