Einmal lange Reichweite, schnelles Laden zum günstigen Preis? Das ist unser Wunschdenken bei E-Mobilität - doch Forscher arbeiten hart daran, diese Punkte umzusetzen. Es wird aber immer Kompromisse geben.(Symbolbild; Quelle: scharfsinn86 - adobe.stock.com)

Die Elektromobilität spielt in unserem Alltag eine immer größere Rolle. Viele EU-Länder – darunter auch Deutschland – wollen bis 2035 vollständig auf die Produktion CO2-emissionsfreie Fahrzeuge umsteigen.

Damit das realisierbar ist, brauchen wir neue, leistungsstarke Akkus, die bestenfalls auch noch günstig in der Herstellung sind.

Das Wissenschaftsmagazin nature hat dazu einen Artikel am 7. Februar 2024 veröffentlicht, welcher sich mit der Entwicklung von aktuellen und zukünftigen E-Auto-Akkus beschäftigt – und den Markt vermutlich revolutionieren wird. Dazu gleich mehr.

Die E-Zukunft sieht vielversprechend aus

Der nature-Beitrag beginnt bereits mit einem Paukenschlag: Toyota will 2027 oder 2028 ein Auto auf den Markt bringen, dass 1.000-km-Reichweite besitzt und dabei in zehn Minuten aufgeladen ist.

Ein weiterer Knaller: Einen Akku, der unter anderem mit Luft betrieben wird – kein Witz. Die Entwicklung stammt aus einem US-Labor und könnte eines Tages vielleicht sogar Flugzeuge antreiben.

Außerdem sollen 2024 chinesische E-Autos für etwa 10.000 Dollar (9.300 Euro) mit günstigen Natrium-Akkus auf den dortigen Markt kommen. Doch der Reihe nach:

Der Markt wird sich diversifizieren.

Das sagt Gerbrand Ceder - Materialwissenschaftler an der University of California, Berkeley – gegenüber nature. Und das muss er vermutlich auch, denn die Ansprüche der Verbraucher an Elektroautos sind hoch:

Genügend Leistung für Beschleunigung
Schnelle Ladezeiten
Lange Lebensdauer (mindestens 1.000 volle Ladezyklen)
Temperaturunabhängige Funktionalität
Realistischer Preis

Es ist sehr schwierig, all diese Dinge gleichzeitig zu optimieren.

Das sagt Linda Nazar im Gespräch mit nature. Sie ist Forscherin an der Universität von Waterloo, Kanada. Doch es gibt verschiedene Ansätze, die einen Großteil dieser Punkte vereinen könnte.

Gibt es in der Zukunft eine richtige Akku-Revolution?

Diese Frage lässt sich gar nicht so einfach beantworten. Die aktuell meistgenutzten Akkus sind Lithium-Ionen-Akkus. Das wird vermutlich auch noch eine Weile so bleiben:

Ich denke, dass Lithium-Ionen für Jahrzehnte die Technologie sein wird, die Elektroautos antreibt, weil sie gut genug ist.

Das sagt Winfried Wilcke gegenüber nature. Er ist ein kürzlich pensionierter Wissenschaftler in Los Altos, Kalifornien, der von 2009 bis 2015 ein Projekt von IBM Research leitete.

Vorteil Lithium-Ionen-Akkus: Wenn hier an besseren Elektroden geforscht wird, können theoretisch enorme Energiedichten erreicht werden. Eine Lithium-Metall-Anode erreichte laut nature im Labor mehr als 700 Wh pro Kg.
Nachteil: Die Lebensdauer und die Sicherheit der Zellen ist ein wortwörtliches Brandthema.

Zur Einschätzung: Die Energiedichte bei Tesla liegt aktuell bei etwa 322 Wh pro Kg.

Doch es gibt einen Ansatz, der viele Nachteile ausräumen und vielleicht sogar die Akku-Welt revolutionieren könnte. Die Alternative ist vielleicht fest statt flüssig wie bisher. Dazu gleich mehr.

Eine weitere Baustelle: Die Infrastruktur für E-Autos muss natürlich ebenfalls weiter ausgebaut werden. Tesla macht es vor, wie wir theoretisch schnell und einfach laden könnten:

0:38 Die Zukunft der E-Mobilität? Tesla demonstriert das Supercharging-Netzwerk der Firma

Festkörper-Akkus oder Natrium?

Fest statt flüssig: Ein keramisches oder festes Polymer wird hier als Elektrolyt verwendet und ermöglicht so den Durchgang von Lithium-Ionen.

Vorteile bei fest statt flüssig:

Hohe Energiedichte
Verzicht auf entflammbare, organische Flüssigkeiten
Einfachere Zellarchitektur
Funktionieren auch bei niedriger und hoher Temperatur

Knackpunkte:

Neue Herstellungsverfahren müssen entwickelt werden (wird teuer)
Transport von Ionen im Festkörper langsamer = Leistung begrenzt
Herstellung makelloser Schnittstellen zwischen Schichten aufwendig

Festkörperakkus haben eine große Zukunft. Keine Frage. Aber es ist verdammt schwierig, sie zu verwirklichen.

Das erwähnt Wilcke gegenüber nature. Neben Lithium-Batterien – egal ob flüssig oder fest – forschen Wissenschaftler auch an einer Alternative zu Lithium selbst: Natrium.

Das ist in deutlich größeren Mengen verfügbar und damit günstiger als Lithium, dessen Kosten aktuell explodiert. Ein großer Streitpunkt bei E-Autos ist vor allem auch der Preis:

Die größten Herausforderungen sind ressourcenbezogen.

Das sagt Ceder im nature-Artikel. Natriumakkus werden bereits produziert und sollen auch bald in den eingangs erwähnten chinesischen E-Autos eingesetzt werden

Einen Haken gibt es aber auch hier: Natrium wiegt mehr und deshalb ist die Energiedichte pro Kg geringer. nature zufolge gibt es seit 2021 Natriumbatterien, welche eine Energiedichte von 160 Wh pro Kg besitzen. Damit kommen ultrakompakte E-Autos aktuell nur 250 bis 300 km weit. Ein Tesla-Modell schafft mit herkömmlichen Akkus bis zu 600 km.

Ein weitere E-Mobilitäts-Artikel

VanMoof nach der Insolvenz: So soll es jetzt mit dem E-Bike-Hersteller weitergehen

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Das wird uns in der Zukunft vermutlich erwarten

Eine weitreichende E-Mobilität wird vermutlich irgendwann Einzug halten – egal mit welcher Akku-Form. Damit wir den Stand unserer jetzigen mobilen aber fossilen Freiheit beibehalten können, werden deshalb auch immer neue Limits in Sachen Reichweite und Energiedichte getestet.

Laut electrive.net gibt es einen Ansatz vom US-Materialforscher Larry Curtiss und seines Teams, welcher 2023 für Aufsehen sorgte. Sie experimentierten an einer Lithium-Luft-Festkörper-Akku, der auf 685 Wh pro Kg kam – mit Aussicht auf theoretische 1.200 Wh pro Kg.

Das entspricht dem Magazin nature einer Energiedichte, bei der es sich langsam lohnt, auch über die Elektro-Flugmobilität nachzudenken. Zumindest wird dieser Akku im Kontext von Lufttaxis genannt - wir können also gespannt sein, ob wir eines Tages sogar damit abheben werden.

Bis ein Großteil der im Text genannten Technologien eine Serienreife erreichen wird, dauert es noch. Am Ende des Artikels stellt nature dann eine Prognose für die verschiedenen Technologien auf:

Natrium- oder LFP-Akkus eignen sich für Autos mit geringerer Reichweite, Gabelstapler oder Spezialfahrzeuge
Verbesserte Lithium-Ionen-Akkus für Mittelklassewagen - vielleicht werden Festkörper-Lithium-Akkus diese Klasse übernehmen
Lithium-Luft-Zellen für Autos der Oberklasse oder Lufttaxis

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Was denkt ihr über diese Entwicklungen? Welche Alternative könnte Potenzial haben, welche ist eurer Meinung nach Käse? Könnte so ein günstiges Natrium-Akku-Auto nach chinesischem Vorbild auch in Deutschland möglich sein? Kennt ihr vielleicht weitere Akku-Alternativen, die hier gar nicht genannt wurden? Schreibt uns eure Gedanken und Ideen gerne in die Kommentare und tauscht euch aus, was die Akku-Zukunft alles für uns bereithält.