Forschung und Entwicklung Aufholjagd bei Lithium-Ionen-Akkus

Akkus für Elektroautos und für Speicher für das Stromnetz sind weitgehend Neuland, denn auf die sehr viel größeren Kapazitäten sind die bisherigen Technologien nicht ohne weiteres hochskalierbar. Die deutsche Forschung hat die Herausforderung angenommen.

Das grundlegende Prinzip mit den wandernden Lithium-Ionen wurde bereits in den 1970er Jahren an der TU München erfunden – aber nicht lange weiterverfolgt. Fortschritte gelangen dann an der Universität Oxford. Die Durchentwicklung bis zur Produktionsreife setzte in den 90er Jahren ein, wobei Japan mit Abstand führend wurde. Hauptanwendung wurden die besagten Kleingeräte, die auch praktisch alle in Fernost produziert werden. Der Weltmarkt lag 2012 über 10 Mrd. Dollar.

Die Energiedichte ist mittlerweile bis auf etwa 150 bis 200 Wh/kg hochgetrieben worden, die Weiterentwicklung zielt auf noch weitere Steigerung ab. Bei einigen Anwendungen besteht aber eher die Forderung nach höchstmöglicher Leistungsdichte (gemessen in W/kg), d.h. hoher Strombelastbarkeit und Schnellladefähigkeit. Das sind widersprechende Forderungen; beides mit einem Typ ist nicht zu schaffen (Bild 1).

Deshalb haben sich mit der Zeit verschiedene Arten herausgebildet, mit unterschiedlichen Materialien für Anode (Graphit oder Lithiumtitanat), Katode (Kobaltdioxid, Manganoxid, Eisenphosphat u. a.) und Elektrolyt (verschiedene organische Flüssigkeiten oder auch Polymere). Reine Elektrofahrzeuge (BEV) verlangen hohe Energiedichte für eine große Reichweite. Hybrid-Elektroautos mit Verbrennungs- und Elektromotor (HEV) brauchen dagegen eine hohe Leistungsdichte für eine starke Beschleunigung. Gemeinsame Anforderungen an beide sind: höchste Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, Sicherheit bei abnormen Bedingungen wie Unfall, ausreichende Leistungsabgabe bei tiefen Temperaturen und nicht zuletzt günstiger Preis. Die deutsche Industrie beansprucht bei konventionellen Autos die technologische Führungsposition und will bei den aufkommenden Elektroautos nicht zurückfallen. Haben die Elektromotoren und die Steuerelektronik bereits einen sehr hohen Reifegrad erreicht, so ist das Schlüsselelement nach wie vor die Speicherbatterie. Eine Abhängigkeit von Importen aus Fernost wäre höchst ungünstig.

Prof. Dr. Werner Tillmetz, Vorstandsmitglied beim ZSW, formuliert ein anspruchsvolles Ziel: „Deutschland möchte bis 2020 Leitanbieter und Leitmarkt für die Elektromobilität der Zukunft werden.“ Deshalb sind seit einigen Jahren massive Anstrengungen im Gange, um den Rückstand einzuholen. 2010 wurde dazu die Nationale Plattform Elektromobilität (NPE) eingerichtet [1, 2, 3]. Im Mai 2011 startete das „Regierungsprogramm Elektromobilität“. Mittlerweile laufen Forschung und Entwicklung auf Hochtouren, nach bewährter Weise meist in Verbundprojekten mit vielen Partnern, die sich gegenseitig synergetisch ergänzen. In der „Fraunhofer-Allianz Batterien“ [4] kooperieren 19 Institute; die Federführung liegt beim Institut für Chemische Technologie (ICT) in Pfinztal bei Karlsruhe [5]. An ähnlichen Themen arbeitet parallel dazu seit 2007 die Innovationsallianz „Lithium-Ionen-Batterie LIB 2015“ [6] mit mittlerweile rund 60 Projektpartnern, vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 60 Millionen Euro gefördert. Auch viele regionale Cluster haben sich gebildet, beispielsweise im Großraum München/Garching; beteiligt sind verschiedene Institute der TU und mehrere Fraunhofer-Institute am Ort, alle eng vernetzt.

Allein an der TU sind über 150 Mitarbeiter mit Batterieentwicklung befasst, insbesondere am Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES), geleitet von Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen [7]. Weitere Forschungsstellen in Deutschland sind z.B. ZSW [8], RWTH Aachen [9] und KIT [10]. Derzeit werden noch vielfach die Zellen aus Fernost bezogen und hier zu Batteriesystemen zusammengebaut. Prof. Jossen: „Wir sind sehr stark in den Systemen. Was die Zellen betrifft, da sind uns die Asiaten doch ein Stück voraus.“ Das soll sich in Zukunft aber ändern. Eine Fertigung läuft bereits bei Li-Tec [11], die Zellen finden im „Smart“ Einsatz.

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Forschungsthema Akkumulatoren

Deutsche Forschung für die Hochskalierung von Akkus auf hohe Kapazitäten