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Forschung und Entwicklung

Aufholjagd bei Lithium-Ionen-Akkus

16. Mai 2014, 14:38 Uhr | Helmuth Lemme

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Sicherheit über alles

Maximale Energiedichte ist wichtig, darf aber nicht auf Kosten der Sicherheit gehen. Deshalb steht die Qualitätskontrolle sehr im Vordergrund. Die mehrmaligen Batteriebrände in der Boeing 787 sind nicht vergessen – kleine Ursache, fatale Wirkung, Schäden im hohen Millionenbereich und massiver Imageverlust [14]. Es handelte sich hier um Lithium-Ionen-Akkus der „1. Generation“ mit Kobaltdioxid-Katode, die von allen Varianten die höchste Energiedichte bieten, aber offensichtlich im Betrieb nicht vollständig sicher sind. Andere Systeme mit Eisenphosphat- oder Mischkatoden (2. Generation) sind bei weitem risikoloser, dafür speichern sie weniger Energie pro Gewicht. Damit sich derartige Katastrophen niemals wiederholen, müssen alle Komponenten härteste Tests über sich ergehen lassen, zum Teil auch zerstörend. Auf solche Untersuchungen hat sich vor allem das Fraunhofer ICT [5] verlegt, das über drei Jahrzehnte Erfahrung mit elektrochemischen Speichern verfügt und im März 2012 zwecks besserer räumlicher Nähe zur TU München eine Zweigstelle in Garching eröffnet hat.

Die vielfältigen Untersuchungsmethoden erstrecken sich vor allem auf Bedingungen außerhalb der normalen Spezifikationen: Überladung oder Tiefentladung als Folge von Versagen der Überwachungselektronik, totaler oder partieller Kurzschluss, Temperaturtests im Bereich von –70 bis +250 °C (Bild 4) und Crashtests wie bei echten Unfällen, d.h. Quetschen oder Durchstoßen eines Nagels (Bild 5), Feuer in der Umgebung und vieles mehr. Dabei werden die im Versagensfall freigesetzten Stoffe analysiert, insbesondere gasförmige, und in „Post Mortem“-Analysen werden defekte Zellen zerlegt. Was bei einem berstenden Benzintank passiert, ist der Feuerwehr gut bekannt. Kaum dagegen, wie sich eine schwer beschädigte Batterie verhält; hier sind realitätsnahe Versuche nötig (Bild 6). Eines ist schon klar: Wenn sie brennt, vor allem der Elektrolyt, darf sie auf keinen Fall mit Wasser gelöscht werden.

„Post-Lithium-Ionen“ ab 2020

Nach wie vor ist beim Elektroauto die mangelnde Reichweite das Hauptproblem. Weil das Gewicht in Grenzen bleiben soll, besteht erheblicher Druck, die Energiedichte der Batterie immer noch weiter zu steigern. Wie sich gezeigt hat, geht das am besten über eine Erhöhung der Zellenspannung – von derzeit 4,2 V schrittweise bis auf 5 V (3. Generation). Aber trotz aller Fortschritte wird der Lithium-Ionen-Akku irgendwann ausgereizt sein. So läuft parallel eine intensive Suche nach grundsätzlich anderen Systemen, die wesentlich höhere Speicherdichten versprechen (4. Generation). Reale Chancen werden dem System Lithium-Schwefel gegeben, das rund 400 Wh/kg erreicht. Ein weiterer Vorteil ist der sehr weite Umgebungstemperaturbereich von –50 bis +65 °C. Die Entwicklungsarbeiten sind vorangeschritten, Probleme macht die Lebensdauer.

Bis zu einer Massenproduktion wird es nach Schätzungen von Experten noch bis etwa 2020 dauern. Alle Rekorde bei der Energiedichte schlägt das System Lithium-Luft mit rund 800 Wh/kg. Es befindet sich aber noch ganz im Stadium der Grundlagenforschung. Hier bleibt sehr viel zu tun. Insbesondere zeigen die derzeitigen Labormuster noch eine viel zu kurze Lebensdauer. Gefordert sind viele tausend Lade-/Entlade-Zyklen – überhaupt nicht in Sicht. Es ist nicht sicher, ob die Produktionsreife jemals erreicht werden kann oder ob das letztlich ein Flop wird. Falls das Vorhaben gelingen sollte, dann wahrscheinlich nicht vor 2030. Weitere Systeme arbeiten mit anderen Metallen: Magnesium-Luft, Aluminium-Luft und einige weitere. Alle befinden sich noch rein im Laborstadium. Für stationäre Speicher für das Stromnetz kommen auch ganz andere Technologien in Frage, die in Fahrzeugen nicht einsetzbar wären: Redox-Flow, Natrium-Schwefel, möglicherweise auch Zink-Luft sowie mechanische Speicher wie Druckluft, die alle im Wettbewerb miteinander stehen. Im Elektroauto stellt dagegen die Brennstoffzelle eine Konkurrenz dar. Ob sie sich durchsetzt, hängt allerdings weniger von ihr selbst als von der Weiterentwicklung der Wasserstoffspeicher ab.

Wachstum wie schnell?

Die Prognosen über die Marktentwicklung differieren stark; gemeinsam ist allen, dass sie äußerst unsicher sind. Zwar lässt sich die Senkung der Produktionskosten in den nächsten Jahren noch halbwegs abschätzen, die Entwicklung der Nachfrage aber sehr viel schwerer. Hier spielen viele Unwägbarkeiten mit hinein: allen voran der Ölpreis, auch Preis und Verfügbarkeit von Lithium und der anderen wichtigen Elemente, Aufbau der Lade-Infrastruktur und schließlich die internationalen politischen Rahmenbedingungen. Vom Fraunhofer ISI wurden zwei verschiedene Szenarien erstellt: „Dominanz“ (nahezu vollständige Verbreitung der Hybridtechnologie) und „Pluralismus“ (verschiedene Antriebstechniken nebeneinander). Pro kWh Speicherkapazität sind etwa 180 g Lithium erforderlich. Mit 30.000 Tonnen, dem im Dominanz-Szenario prognostizierten Bedarf für 2020, ließen sich Batterien mit einer Gesamtkapazität von 170 GWh herstellen.

Das Pluralismus-Szenario kommt auf deutlich kleinere Zahlen. Der Lithium-Bedarf für stationäre Speicher ist noch nicht abschätzbar, u.a. wegen der Konkurrenz durch andere Technologien. Es gibt eine Reihe von weiteren Marktszenarien weltweit, die zum Teil weit auseinander liegen. Über einen starken Anstieg und einen Preisverfall sind sich aber alle einig. Kostete 2010 die Speicherung von 1 kWh noch zwischen 600 und 1000 Euro, so 2020 voraussichtlich nur noch 100 bis 300 Euro. Eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg ist eine enge Kommunikation zwischen den beteiligten Partnern. Sie ist in Deutschland durch die besagten Cluster schon sehr gut entwickelt. Unterstützend wirken dazu auch die „Batteriestammtische“, organisiert von IceSeminars in München [15], bisher zweimal, die nächsten im April und im Juli 2014. Da besteht die Möglichkeit zum Fachsimpeln in lockerer Atmosphäre, zur trockenen Forschungsarbeit im Labor eine nützliche Ergänzung.