Kommt bald die Batterie mit 800 Kilometern Reichweite? (Videos)

Ein Elektroauto, das 500 Meilen bzw. 800 Kilometer mit einer einzigen Batterieladung schafft? Klingt angesichts heutiger Reichweiten von bestenfalls etwa 300 Kilometern noch wie ein Traum. Doch Forscher bei IBM arbeiten mit ihrem „Battery 500“-Projekt daran, diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen. Sie forschen an Metall-Luft-Batterien, deren theoretische Energiedichte zehnmal so hoch ist wie die von Lithium-Ionen-Batterien. Bis zur kommerziellen Nutzung werden zwar noch einige Jahre vergehen, doch die Entwicklung der Batterien ist mittlerweile so weit fortgeschritten, dass die Forscher eine Vermarktung in absehbarer Zeit für sehr wahrscheinlich halten. Winfried W. Wilcke und Ho-Cheol Kim vom Battery 500-Projekt berichten in einem Artikel im Fachmagazin IEEE Spectrum über ihre Forschung.

Preis pro Kilowattstunde muss um zwei Drittel sinken

Das Projekt startete 2009 im IBM Almaden Research Center im kalifornischen San José. Mittlerweile sind verschiedene Projektpartner aus Wissenschaft und Wirtschaft aus Europa, Asien und den USA daran beteiligt und arbeiten an der Lösung des ihrer Ansicht nach größten Hindernisses für den Durchbruch von Elektroautos: die begrenzte Reichweite von Elektrofahrzeugen. 800 Kilometer sehen die Forscher als den Wert an, ab dem Menschen die sogenannte Reichweitenangst verlieren und Elektroautos endlich aus ihrer Nische kommen. Weiter dürften die meisten Menschen an einem einzigen Tag nicht fahren, und danach kann die Batterie über Nacht wieder vollgeladen werden. Um dieses Ziel zu erreichen, müsste sich die Energiedichte heutiger Lithium-Ionen-Batterien mindestens verdoppeln: Sie erreichen derzeit im besten Fall etwa 250 Wattstunden pro Kilogramm. Mindestens genauso wichtig wie die Reichweite sind die Kosten: Im Moment kosten Batteriezellen zwischen 200 und 300 Dollar pro Kilowattstunde. Damit Elektroautos sich gegen Benziner durchsetzen, muss der Preis pro Kilowattstunde auf höchstens 100 Dollar sinken.

Batteriekapazität hängt nicht mehr vom Volumen der Elektrode ab

Bei Lithium-Ionen-Batterien wandern Lithium-Ionen in einem geschlossenen System zwischen den beiden Elektroden hin und her, je nachdem ob die Batterie be- oder entladen wird. Die Ionen lagern sich in den Atomlagen der Elektroden ein, dieser Prozess wird als Interkalation bezeichnet. Die chemische Reaktion findet also in den Elektroden statt, so dass die Batteriekapazität vom Volumen und damit der Masse der Elektrode abhängt. Bei Metall-Luft-Batterien, zum Beispiel auf Lithiumbasis, reagieren die Lithium-Ionen dagegen an der Oberfläche der Elektrode mit Sauerstoff aus der Luft zu Lithiumperoxid. Beim Entladen läuft die Reaktion umgekehrt ab. Die Kapazität dieses Batterietyps hängt also nicht vom Volumen der Elektrode ab, sondern nur davon, wie groß ihre Oberfläche ist, so dass hohe Energiedichten möglich sind. Dieses Grundprinzip funktioniert nicht nur mit Lithium, sondern auch mit verschiedenen anderen Metallen. Die Forscher konzentrieren sich hier auch auf Natrium, das zwar eine niedrigere Energiedichte erlaubt als Lithium, aber dafür sehr verbreitet und günstig ist und zum Beispiel effizienteres Laden ermöglicht. Denkbar wäre aufgrund der viel niedrigeren Materialkosten auch eine übergangsweise Nutzung der Natrium-Luft-Technologie.

Bis zur Marktreife sind noch verschiedene Probleme zu lösen

Die Forscher kämpfen jedoch noch mit einer ganzen Reihe von Problemen, was die Marktreife der Batterien noch verzögert. Ein großes Problem sind beispielsweise unerwünschte Reaktionen des Sauerstoffs mit der Elektrode, die zur Zerstörung derselben führen. Hauptverursacher war der in den Versuchen verwendete organische Elektrolyt (die Lösung, in der die Ionen hin und her wandern). Hier testen die Forscher eine neue Zusammensetzung des Elektrolyten. Ein weiteres Problem ist, dass sich im Laufe der Reaktion an der Anode sogenannte Dendriten bilden, baumartige Strukturen, die eine Verbindung zwischen Kathode und Anode herstellen können, was zu gefährliche Kurzschlüssen führen kann. Eine spezielle Trennschicht mit Nanoporen hilft hier, den Strom der Ionen gleichmäßig zu verteilen, was die Bildung von Dendriten hemmt. Eine weitere Herausforderung ist die Tatsache, dass die Batterien momentan nur mit trockenem Sauerstoff funktionieren, das heißt ohne die Feuchtigkeit und den Stickstoff, die in der normalen Luft vorkommen. Kommerziell nutzbare Batterien müssten also über ein effizientes und verlässliches Reinigungssystem verfügen, ohne deutlich schwerer zu werden. Schwerer machen die Batterie auch alle Komponenten, die nicht an der Reaktion beteiligt sind, so dass die Forscher noch keine genauen Angaben machen können, welche Energiedichte am Ende erreicht werden wird. Sie schätzen jedoch, dass etwa 800 Wattstunden pro Kilogramm realistisch sind. Die ersten praktisch einsetzbaren Metall-Luft-Batterien werden voraussichtlich in größeren Fahrzeugen wie Elektrobussen oder E-LKWs zum Einsatz kommen.

Mehr Infos zu dem Battery 500 Projekt finden Sie in nachfolgenden Videos von IBM:

Quellen / Weiterlesen:
An Electric Car Battery That Will Get You From Paris to Brussels and Back – IEEE Spectrum
The Battery 500 Project – IBM