Tesla am Limit: Kann man die Laufzeit der Elektroauto-Batterien noch steigern?

„Zum ersten Mal ist das schnellste Serienfahrzeug der Welt elektrisch“ sagte Teslas Firmenchef Elon Musk, als er vor kurzem die neueste Batterie der Firma vorstellte. Das neue 100 Kilowatt-Gerät kann Teslas Autos in nur 2,5 Sekunden auf etwa 97 Stundenkilometer beschleunigen. Im Vergleich zu früheren Batteriegenerationen kann man jetzt bis zu 20 Prozent weiter fahren, ehe ein Aufladen notwendig ist.

Aber Musk gibt auch zu, dass das momentane Design und die chemische Zusammensetzung der Batterie bedeuten, dass sie sich ziemlich nah an dem theoretischen Limit dessen befindet, was sie leisten kann. Von diesem Punkt an wird es exponentiell schwieriger, die Menge an Energie zu erhöhen, die eine Batterie derselben Größe speichern kann. Was also könnten Tesla und andere Hersteller von Elektroautos als nächstes tun?

Teslas aktuelles P90D-Design verwendet eine Batterie, die unter dem Boden ihres „Skateboard“-Chassis sitzt. Dadurch kann das Fahrzeug eine große Menge an Batteriezellen mitführen, während der Innenraum des Fahrzeugs maximal genutzt wird. Andererseits macht es die Batterie im Falle eines Unfalls anfällig für Schäden.

Das neue P100D-Batteriepaket sieht von außen genauso aus wie die alte Version und scheint die selben zwei Reihen Lithium-Ionen-Zellen zu verwenden. Dennoch packt es wunderbarerweise 100 Kilowattstunden Energiedichte in dasselbe Batteriemodell, das vorher 90 Kilowattstunden gespeichert hat und nur 4 Prozent weniger wog. Das ist mehr als elf Mal soviel Elektrizität wie der Verbrauch eines durchschnittlichen Haushalts an einem Tag.

Festkörperbatterien

Der Unterschied liegt darin, wie das Paket zusammengestellt wurde, sowie im Kühlsystem und der Elektronik. Beispielsweise könnte eine signifikante Verbesserung der Batteriekühlung genug Platz geschaffen haben, um 56 Zellen zusätzlich zu verbauen, die die zusätzlichen 10 Kilowattstunden Energie liefern. Die Gewichtszunahme von 4 Prozent deutet darauf hin, dass mehr Komponenten verwendet wurden und eventuell die Anordnung der Zellen überarbeitet wurde, um dieses zusätzliche Gewicht auf demselben Raum unterzubringen. Damit Tesla aber noch weiter gehen kann, muss die Firma unter Umständen einen komplett anderen Ansatz der Energiespeicherung in Erwägung ziehen.

Eine Technologie in der Entwicklungsphase, die von Unternehmen wie Toyota, Volkswagen, Bosch und Dyson untersucht wird, sind die sogenannten Festkörperbatterien. Diese sind auf lange Sicht sicherer, speichern mehr Energie für ihre Größe und könnten zur Entwicklung von kostengünstigen Batteriemodulen führen.

Typische Lithium-Ionen-Batterien wie diejenigen, die Tesla verwendet, enthalten ein entzündliches, flüssiges Elektrolyt, während Festkörperbatterien ein festes Elektrolyt nutzen, das vergleichsweise sicher ist. Dies eröffnet zudem die Möglichkeit, ein Lithium-Metall anstelle von Graphit-Elektroden zu nutzen, da diese eine höhere Energiedichte und einen längeren Lebenszyklus aufweisen. Neueste Entwicklungen im Bereich der Elektrolyt-Beimischung und der Keramik-Abschirmung könnten das Problem lösen, dass Lithium-Elektroden Fasern oder Dendrite bilden, die die Batterie kurzschließen.

Autolib, ein Pariser Car Sharing-Service für Elektroautos, hat bereit begonnen, diese Festkörperbatterien in seinen etwa 3000 Autos zu verwenden. Seeo gibt an, Batterie-Prototypen entwickelt zu haben, welche eine Energiedichte von 350 Wattstunden pro Kilogramm aufweisen. Zum Vergleich: die Panasonic 18650-Zellen, die Tesla verwendet, haben eine Energiedichte von lediglich 254 Wattstunden pro Kilogramm. Schon ein einfaches Ersetzen der momentan von Tesla verwendeten Zellen mit diesen Festkörperbatterien bei Serienreife könnte der Firma helfen, von einem Batteriepaket von 100 Kilowattstunden auf ein Modell mit 118 Kilowattstunden zu kommen – das entspricht nahezu einer Verdopplung der Verbesserung, die Teslas neue P100D gegenüber ihrem vorhergehenden Design erreicht hat.

Einige glauben, dass solche Strategien dabei helfen können, sichere Batterien mit genug Ladung zu entwickeln, um mit Benzinmotoren konkurrieren zu können. Donald Sadoway, Materialwissenschaftler am MIT, sagt, dass das Erreichen solcher hohen Energiedichten der Schlüssel zur weit verbreiteten Annahme von Elektroautos ist. Er ist überzeugt:„Wenn wir Batterien mit 350 Wattstunden pro Kilogramm hätten, hätten wir Elektroautos mit einer Reichweite von 560 Kilometer. Für das Benzin würde das das Ende bedeuten“.

Natrium als Alternative

Indes wird es nicht möglich sein, Festkörperbatterien weiter mit Lithium-Elektroden zu nutzen, da das seltene Vorkommen dieses Metalls dazu führt, dass es mit hohen finanziellen und ökologischen Kosten verbunden ist – besonders im Vergleich zu kohlenstoffbasierten Elektroden. Zwei potenzielle Alternativen sind Natrium-Ionen- oder vielleicht auch Natrium-Metall-basierte Batterien, die eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien aufweisen.

Ein Prototyp einer solchen Batterie zeigte eine Energiedichte von 650 Wattstunden pro Kilogramm, was eine Reichweite eines Elektroautos von 1050 Kilometer mit einer einzigen Ladung bedeutet – mehr als das Doppelte dessen, was die aktuelle Generation von Lithium-Ionen-Batterien anbietet. Natrium ist viel ergiebiger als Lithium, und sein Salz (Natrium-Karbonat) ist zehnmal günstiger als das entsprechende Lithiumsalz.

Da die Kosten der Elektroden und Elektrolyte über 50 Prozent der Gesamtkosten einer typischen Zelle ausmachen, haben Batterien, die natriumbasierte Reaktionen nutzen, in dieser Hinsicht einen klaren Vorteil. Natrium-Ionen-Batterien können zudem vollständig entladen werden, ohne dass die aktiven Materialien Schaden nehmen, und ohne das eine Gefahr besteht – im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, die Feuer fangen können, wenn sie ohne Ladung gelagert werden.

Mit diesen Entwicklungen in der Technologie von Festkörper-Lithium und Natrium können wir Batterien für Elektroautos entwickeln, die eine höhere Energiedichte und geringer Kosten aufweisen als diejenigen, die kürzlich von Tesla vorgestellt wurden. Das bedeutet jedoch nicht, dass diese Batterien notwendigerweise in allen Elektroautos verwendet werden.

Eine andere Strategie wäre, mehr Aufwand in die Bemühungen zu investieren, das Gewicht der Autos zu reduzieren, etwa durch die Verwendung von Kohlenfaserverbundstoffen, sodass sie mehr Batterien mitführen können. Dies könnte unter Umständen zu einer Reichweite von mehr als 560 Kilometer mit einer einzigen Ladung führen, ohne dass eine neue Art Batterie benötigt wird. Aber wie auch immer die Innovation schließlich aussieht, Tesla und andere Hersteller brauchen noch einen finalen Vorsprung, um dem durchschnittlichen Autofahrer das Elektroauto selbst noch etwas näher zu bringen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation“ unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Image (adapted) „Tesla Motors“ by Sam Felder (CC BY-SA 2.0)


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Vivek Nair

Vivek Nair

ist Erfinder und Investor für verschiedene Unternehmen im Bereich Nanotechnologie, Umgebung, Nachhaltigkeit und Katalysatoren. Im Jahr 2011 gewann er den Ashoka/Staples Social Youth Entrepreneur Award. Auf der FORBES-Innovationsliste "30 under 30" war er im Jahr 2012 aufgelistet.

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