Handelsblatt

MenüZurück
Wird geladen.

05.04.2013

11:07 Uhr

Fraunhofer-Institut

Durchbruch bei leistungsstarken Batterien

Quelle:MID

Leistungsstarke, preiswerte Batterien sind der Schlüssel zur Elektro-Mobilität. Forschern aus Dresden ist nun offenbar ein Durchbruch auf dem Weg zur deutlich optimierten Lithium-Schwefel-Batterie gelungen.

Rund 1.400 Ladezyklen haben Forscher bei neu entwickelten Lithium-Schwefel-Akkus erreicht. MID

Rund 1.400 Ladezyklen haben Forscher bei neu entwickelten Lithium-Schwefel-Akkus erreicht.

DresdenEine Lithium-Schwefel-Batterie ist laut dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) deutlich leistungsfähiger und kostengünstiger als die bislang bekanntere Lithium-Ionen-Variante. Der Nachteil des Lithium-Schwefel-Akkus: eine kurze Lebensdauer. Die hat bislang verhindert, dass diese Energiespeichertechnik den Weg ins Auto gefunden hat. Das könnte sich in absehbarer Zeit ändern. Denn die Dresdner Fraunhofer-Wissenschaftler haben jetzt ein neues Batterie-Design entwickelt, das die Zahl der Aufladezyklen von Lithium-Schwefel-Akkus um das Siebenfache erhöht.

"Bisher kamen wir bei Tests kaum über 200 Ladezyklen hinaus. Durch eine besondere Kombination aus dem Material für die Anoden und Kathoden konnten wir nun die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Knopfzellen auf 1.400 Zyklen ausdehnen", beschreibt Dr. Holger Althues, Leiter "Chemische Oberflächentechnologie" am IWS den Durchbruch seines Teams.

Stromer kamen schon mal zu früh

Es begann 1881

Historisch gesehen war das Elektroauto schon öfter zu früh dran: Fünf Jahre vor Carl Benz erstem Auto mit Ottomotor fuhr bereits das erste Elektroauto. In den Kindertagen des Automobils behaupteten sich Elektroautos gleichberechtigt neben Dampfwagen und Verbrennern. Doch dann begann ein Jahrhundert des E-Mobil-Flopps. Nicht nur die begrenzte Fähigkeit der Energiespeicherung verhindert bis heute den Durchbruch der E-Autos.

Technische Puristen missgönnen bis heute Mercedes die Urheberschaft am Automobil. Sie reklamieren, dass nicht Carl Benz 1886 das erste Automobil der Geschichte gebaut hat, sondern der Franzose Gustav Trouvé fünf Jahre zuvor.

Der Erfinder und Elektroingenieur hatte 1881 in ein dreirädriges Fahrrad des englischen Herstellers "Starley Coventry" einen Elektromotor eingebaut. Mit Blei-Akkumulatoren erreichte das Vehikel, mehr rollender Prüfstand als Fahrzeug, eine Höchstgeschwindigkeit von zwölf Kilometern pro Stunde und schaffte eine Reichweite zwischen 14 und 26 Kilometern.

Vom Dreirad über die Kutsche zum Auto

Ein Jahr später bauten die englischen Professoren William Edward und John Perry ebenfalls ein elektrisch angetriebenes Dreirad. Die Regelung der Geschwindigkeit erfolgte über die Schaltung der zehn Akkumulatorenzellen. Jede hatte eine Kapazität von einer halben Kilowatt-Stunde bei einer Spannung von 20 Volt. Der Motor leistete 0,37 kW/0,5 PS. Zur weiteren Pionierleistung des Fahrzeugs gesellt sich die erste elektrische Beleuchtung bei einem Motorfahrzeug.

Werner Siemens baute 1882 in Halensee bei Berlin eine Kutsche mit elektrischem Antrieb. Das Fahrzeug konnte mehrere Personen befördern, lief aber über eine 520 Meter lange Versuchsstrecke nicht selbstständig mit einer Batterie, sondern zapfte Strom aus einer Oberleitung.

Die Ehre, das erste wirkliche Auto mit Elektroantrieb gebaut zu haben, gebührt der "Coburger Maschinenfabrik A. Flocken". Das vierrädrige Elektroauto für zwei Passagiere fuhr erstmals 1888. 2011 debütierte in Stuttgart eine Rekonstruktion des Fahrzeugs.

Frühe Erfolge

Da Ende des 19. Jahrhunderts mangels geeigneter Straßen noch nicht absehbar war, dass sich das Automobil zum brauchbaren Verkehrsmittel für Überlandfahrten qualifizieren würde, feierten Elektroautos als städtische Verkehrsmittel über kurze Distanzen beachtliche Erfolge. Zumal ihr Antrieb lautlos arbeitete. Angesichts des dichten Eisenbahnnetzes, das in jeden Winkel der Welt vorgedrungen war, erschien ein konkurrierendes Verkehrmittel als Antwort auf eine Frage, die niemand gestellt hatte. Alleine in Deutschland etablierten sich mehr als zwei Dutzend Hersteller von Elektrofahrzeugen.

Der Lohner-Radnaben-Porsche

Die Antriebstechnik verhalf auch einem jungen österreichischen Ingenieur zum Durchbruch. Der 24-jährige Ferdinand Porsche konstruierte 1899 für den seit 1821 aktiven Wagen- und Wagonbauer "k.u.k. Hofwagenfabrik Jakob Lohner & Co" in Wien ein Auto mit sogenannten "Radnabenmotoren". Dabei findet der Motor direkt im Rad Platz und sorgt ohne Einsatz von Antriebswellen für den direkten Vortrieb. Mit vier dieser Motoren realisierte Porsche ganz nebenbei den ersten Allradantrieb der Autogeschichte.

Alt-bekannte E-Auto-Probleme

Da das Gewicht der Batterie für eine akzeptable Reichweite rund eineinhalb Tonnen erreichte, konstruierte Porsche gleich den ersten Hybridantrieb mit einem Benzinmotor von Daimler, der als Generator die Radnabenmotoren mit Energie versorgte. Der Lohner-Porsche feierte 1900 seine Premiere auf der Weltausstellung in Paris. Bis 1906 entstanden rund 300 dieser Fahrzeuge, die zwischen 10.000 und 35.000 österreichische Kronen kosteten und vornehmlich als Taxen und bei der Wiener Feuerwehr zum Einsatz kamen. Wegen der geringen Reichweite floppte der Lohner-Porsche aber langfristig.

Starker Marktanteil in den USA

In den USA stellten 1900 die Autos mit Otto-Motoren nur einen Anteil von 22 Prozent am gesamten Fahrzeugbestand. 40 Prozent gingen an Dampfwagen, 38 Prozent an Elektroautos. In New York war sogar jedes zweite Automobil ein Elektrofahrzeug. 1912 erreichte der Elektroboom seinen Höhepunkt in den Vereinigten Staaten. 20 Hersteller hauten 33.842 E-Mobile.

Schlagartiger Bedeutungsverlust

Mit der rasant voranschreitenden Entwicklung von schnelllaufenden und leistungsstarken Otto-Motoren zu Beginn des 20. Jahrhunderts, verloren die Elektroautos schlagartig an Bedeutung und überlebten nur noch in Nischen, beispielsweise als Lieferfahrzeuge.

Die Anode des Batterie-Prototyps besteht nicht wie sonst üblich aus metallischem Lithium, sondern aus einer Silizium-Kohlenstoff-Verbindung. Diese ist wesentlich stabiler, da sie sich im Verlauf eines Ladevorgangs weniger verändert als das Lithium-Metall. Je stärker sich das Anodenmaterial verformt, desto mehr vermischt es sich mit dem flüssigen Elektrolyten, der zwischen Anode und Kathode liegt und den Strom transportiert.

Bei diesem Vorgang zersetzt sich die Flüssigkeit in Gas und Feststoffe. Die Batterie trocknet aus. "Im Extremfall ‘wächst’ die Anode bis zur Kathode und sorgt mit einem Kurzschluss für den vollständigen Zusammenbruch der Batterie", erklärt Althues.

Beim Lithium-Schwefel-Modell bildet elementarer Schwefel die Kathode. Der Vorteil: Schwefel ist im Vergleich zum knappen Kobalt, dem hauptsächlich in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Kathodenmaterial, in nahezu unbegrenzten Mengen verfügbar und damit entsprechend günstiger. Da auch Schwefel mit dem flüssigen Elektrolyt reagiert, verwenden die Fraunhofer-Forscher porösen Kohlenstoff, der diesen Reaktionsprozess verhindert.

Antriebsarten und ihre Abgaswerte

Motoren im Vergleich

Wie sehr ein Auto die Luft verpestet, hängt davon ab, was unter der Haube steckt. Denn je nach Motor stößt ein Wagen unterschiedlich viele Feinstaub-Partikel (PM) und Stickstoffdioxide (NO2) aus. Hier ein Überblick über das Abgasverhalten verschiedener Motoren.

Benzinmotoren

Moderne Benzinmotoren werden durch Direkteinspritzung zwar sparsamer gegenüber der Vergaser-Technik - und damit wird auch ihr CO2-Ausstoß gesenkt. Doch haben die Einspritzmotoren oft einen höheren Feinstaub-Ausstoß. Nach einer Untersuchung der Deutschen Umwelthilfe stoßen sie eine sehr hohe Zahl an ultrafeinen Partikeln aus, die massive gesundheitliche Folgen für die Atemwege und das Herz-Kreislauf-System haben können. In der Untersuchung kam heraus: Benzinfahrzeuge überschritten den aktuellen Grenzwert für Dieselfahrzeuge teils um das Sechsfache.

Dieselmotoren

Trotz Rußpartikelfilter - Selbstzünder sind laut Verkehrsclub Deutschland (VCD) die weniger sauberen. Der Grund: Ihr aktueller Grenzwert nach Euro-5-Norm ist beim Ausstoß von Stickoxiden (NOx) dreimal höher als bei Ottomotoren. Demnach dürfen Diesel bis zu 180 mg/km an Stickoxiden ausstoßen, während der Vergleichswert bei Benzinern bei 60 mg/km liegt. Bei den Feinstaubpartikeln liegen beide Verbrennungsprinzipien mit erlaubten 5 mg/km gleichauf. Diesel-Pkw können die aktuelle Euro-5-Norm nur mit Hilfe eines Partikelfilters erreichen.

Erdgas- und Autogasantriebe (CNG und LPG)

Erdgas gilt unter den fossilen Treibstoffen in der Expertenwelt als der sauberste. So stoßen Fahrzeuge, die CNG (Compressed Natural Gas) tanken, noch weniger Stickoxide aus als Benziner. Der TÜV Süd nennt gegenüber Benzinern eine Reduktion um bis zu 60 Prozent, bei LPG seien bis zu 15 Prozent weniger möglich. Erdgasautos emittieren zudem fast gar keine Rußpartikel.

Hybrid- und Elektroantriebe

Auch Hybridfahrzeuge müssen die Abgasnormen der EU einhalten. Generell lässt sich dem VCD zufolge sagen, dass Dieselhybride, wie sie neuerdings angeboten werden, mehr Schadstoffe ausstoßen als Benzinhybride. Fahren sie im rein elektrischen Modus, stoßen sie keine Schadstoffe aus - doch liegt die Reichweite für den E-Modus meist nur bei wenigen Kilometern. Dann springt der Verbrenner an. Elektroautos stoßen während der Fahrt zwar keinerlei Schadstoffe aus. Doch bei ihrer industriellen Fertigung und bei der Stromerzeugung werden ebenfalls Rußpartikel und Stickoxide erzeugt.

Aktuelle Luftdaten
Übersicht: Deutsche Umweltzonen
Studie zu Umweltzonen
Kurzinfo zu Umweltzonen
Hintergrundpapier zu Feinstaub
Fragen und Antworten zu Feinstaub
Fragen und Antworten zu Stickstoffoxiden

Die Experten rechnen damit, dass es die neuartigen Batterien elektrisch betriebenen Fahrzeugen mittelfristig ermöglichen, bei identischem Batteriegewicht die doppelte Reichweite zu erreichen. Die Experten vom IWS messen die Leistungsfähigkeit einer Batterie in Watt-Stunden pro Kilogramm (Wh/kg). Von Lithium-Schwefel-Batterien versprechen sie sich langfristig eine Energiedichte von bis zu 600 Wh/kg. Zum Vergleich: Aktuell verwendete Lithium-Ionen-Akkus kommen lediglich auf maximal 250 Wh/kg.

"Vielleicht macht Lithium-Schwefel ja sogar das elektrische Fliegen möglich. Bis dahin muss aber noch viel passieren", ergänzt Althues. Aktuell arbeiten die Forscher in Dresden daran, das Material weiter zu optimieren und es in größeren Batteriemodellen einzusetzen. Auch auf geeignete Herstellungsprozesse wollen sie ihr Augenmerk legen.

Kommentare (1)

Selber kommentieren? Hier zur klassischen Webseite wechseln.  Selber kommentieren? Hier zur klassischen Webseite wechseln.

Toldo

06.04.2013, 09:34 Uhr

......und es stellt sich die Frage, wann China die ersten Batterien nach diesem Prinzip serienreif in ihre Fahrzeuge einsetzen wird. Wird es Morgen oder Übermorgen sein.
Haben sie doch schon längst die Konzeption der deutschen Erfindung nach China erhalten. Es lohnt sich also nicht mehr den Gripps anzustrengen, wenn die deutschen Erfindungen sofort in den asiatischen Raum transverriert werden.

Direkt vom Startbildschirm zu Handelsblatt.com

Auf tippen, dann auf „Zum Home-Bildschirm“ hinzufügen.

Auf tippen, dann „Zum Startbildschirm“ hinzufügen.

×