Batterien im Stresstest

Der Mercedes SLS AMG als reiner Elektroracer: Seine Fahrleistungen sind gigantisch, die Reichweite bestimmt der Gasfuß: naximal 400 km bei minimalem Tempo

Was können Batterien wirklich? Mit einer Füllung rein elektrisch von München nach Berlin über 600 Kilometer fahren, so wie der vor wenigen Monaten durchgeführte Test mit einem Kolibri-Alpha-Polymer Akku in einem Audi A2, der für viel Wirbel sorgte und Zweifel wachrief? Oder 40 – 80 Kilometer rein elektrisch mit der Batterie eines Opel Ampera rollen und dann bei längeren Strecken einem herkömmlichen Verbrennungsmotor vertrauen? Hier liefert dann das Benzinaggregat als Range Extender an Bord Strom für den Elektromotor. Beide Konzepte benutzen die derzeit von den Technikern favorisierte Lithium-Technologie.

Batterien sind etwas für Spezialisten: Für den Einsatz im Autombil müssen die Akkus temperatur- und zyklenfest sein sowie ein möglichst großes Lade- und Entladefenster vorweisen

Kein Frage, Dreh- und Angelpunkt einer zukünftigen Elektromobilität ist die Batterie. Auch wenn der Stromspeicher bei weitem nicht die Energiedichte von Diesel und Benzin erreicht, zeigt der Vergleich mit den fossilen Kraftstoffen die Herausforderung:

*Um eine Strecke von 500 Kilometer zu bewältigen, sind bei einem modernen Diesel 37 Liter Sprit notwendig.  Das dafür notwendige Tanksystem wiegt 43 Kilogramm.

Experten versprechen sich von batterie-elektrischen Fahrzeugen im Lieferverkehr große Chancen für Metropolen

*Wesentlich größer und schwerer dagegen ein Lithium-Ionen-Akku. Für die angepeilte Reichweite von 500 Kilometern „würde er unter Berücksichtigung der weiteren Entwicklung der Batterietechnologie auch in einigen Jahren immer noch rund 800 Kilogramm wiegen, um 100 Kilowattstunden elektrischer Energie zu speichern.“ Das sagt der bei Opel verantwortliche Ingenieur für Energiespeichersysteme, Manfred Herrmann.

*Ganz anders die Daten des Kolibri-Akkus. Nach Angaben seines Erfinders, Mirko Hannemann, soll der ultraleichte Hochleitungsakku nur 60 Kilo wiegen und 63 Kilowattstunden (180 Amperestunden) speichern. Damit stellt er die aktuellen Leistungsdaten auf den Kopf. Wie kann das sein?

Die Ladezeiten an Haushaltssteckdosen betragen je nach Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus acht Stunden und mehr bei gut 100 Kilometer Reichweite

Die Hybridtechnologie des Toyota Prius PlugIn-Hybrid liefert erste Aufschlüsse. Er kann an der Steckdose aufgeladen werden. 220 Volt Haushaltsstrom fließt 90 Minuten lang in einen Teil der Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von 5,2 Kilowattstunden. Das reicht aus, um 20 Kilometer rein batterie-elektrisch fahren zu können. Ist der Strom verbraucht, schaltet das Fahrzeug in den Hybridmodus. Der andere Teil Batterie unterstützt dann den Verbrennungsmotor. Im steten Wechsel wird sie geladen und wieder entladen.

Die Toyota-Ingenieure haben das rein elektrische Fahren strikt vom Hybridmodus getrennt. Zwei Drittel der insgesamt 124 becherförmigen Batteriezellen werden ausschließlich für den Hybridmodus verwendet, die übrigen für die Elektrofahrt. Sind diese 41 Zellen „leer“, bleiben sie solange unberührt, bis der PlugIn-Hybrid wieder an die Steckdose angeschlossen wird und Strom bezieht.

Die dynamische Anzeige teilt den derzeitigen Ladezustand mit und zeigt an, wann der Akku zu 100 Prozent gefüllt ist. Um die Haltbarkeit zu erhöhen, bedeutet dies rund 90 Prozent der maximal möglichen Füllung

Auch die 83 „Hybrid-Zellen“ haben eine strikt getrennte Aufgabe. Sie erhalten keinen Ladestrom von außen aus der Steckdose, sondern beziehen ihn ausschließlich vom Verbrennungsmotor oder durch das rekuperierende, (die Batterie aufladende) Bremsen. Das mag zwar als Vergeudung gesehen werden, „aber“, erklärt Toyota-Hybrid-Experte Dirk Breuer, „wir müssen auf die Dauerhaltbarkeit achten und die 130.000 Meilen Distanz, wie sie für die USA vorgeschrieben sind, erreichen.“ Die empfindlichen Lithium-Ionen-Zellen „stressfrei“ müssen sich daher in einem bestimmten Lade- und Entladefenster bewegen. Die „Hybridzellen dürfen dann nur bis auf 30 Prozent ihrer Kapazität entladen und bis auf 70 Prozent geladen werden. Sie sind nie randvoll und dürfe auf keinen Fall vollkommen leer, tiefentladen, sein, wie Fachleute sagen.

Hinter der Tankklappe verbirgt sich der Ladestecker. Mittlerweile ist dieser in vielen Ländern Europas, in Nordamerika und Japan genormt

Für die Zellen, zuständig für das batterie-elektrische Fahren, öffnet sich das Fenster auf 80 zu 20 Prozent . So erreichen alle Batteriezellen eine annähernd gleiche Zyklenzahl und der mit dem Alterungsprozess einhergehende Kapazitätsschwund wird synchronisiert

Batterien brauchen ausreichend Platz und müssen auch so im Fahrzeug untergebracht sein, dass sie einen Crash sicher überstehen, die Feuergefahr gebannt ist und Retter keinen tödlichen Hochvolt-Stromschlag erhalten

Zyklenfest und Ladefenster sind die zentralen Begriffe in diesem komplexen System aus Zellen, Elektronik, Sensorik, Sicherheits- und Kühlkomponenten. Wenn die Elektrizität auf die Chemie trifft, kann sie sich eines großen Baukastens bedienen. Gerade der Bereich Lithium bietet viele Varianten, die nach heutigem Stand der Technik das größte Potenzial für die praktische Anwendung bieten. Dabei sind aber immer die besonders anspruchsvollen Anwendungen für das Automobil zu beachten. Etwa von minus 25 bis plus 40 Grad einsatzbereit zu sein; sich auf schlechte Straßen durchschütteln zu lassen, einen Überschlag wie einen Crashtest zu bestehen, ohne auszulaufen oder in Flammen aufzugehen. Auch darf von ihr keine Gefahr ausgehen, wenn Rettungsmannschaften nach einem Unfall Verletzte bergen müssen. Für robotergesteuerte Fertigung geeignet, gegen Fehlbedienungen abgesichert zu sein und nicht zuletzt eine verlässliche Dauerhaltbarkeit zu garantieren, das sind einige der Anforderungen.

Die roten Kabel signalisieren Hochvolt-Spannung. Für dieWartung von Elektroautos benötigen Techniker eine eigene Ausbildung und Zulassung

Neben den heute bevorzugten Lithium-Ionen-Batterien bieten sich den Forschern aber noch Kombinationen an. Systeme wie die Lithium-Luft- oder die Lithium-Schwefel-Batterie, die bis zu sechs Mal mehr elektrischer Energie speichern können, sind seit Jahren auf ihren automobilen Einsatz untersucht worden und scheiterten an ihrem zu kurzen Zyklus von nur wenigen hundert Aufladungen. Forscher wollen mit neuen Elektroden hier Durchbrüche erreichen und auch die brennbare Flüssigkeit in den Zellen durch Gel ersetzen. Helfen wird ihnen dabei eine neue Software namens „BEST“ (Battery and Electrochemistry Simulation Tool) des Fraunhofer Instituts, mit der neue Lithium-Ionen-Zellen entworfen werden können. Beim MIT, dem Massachusetts Institute for Technology, wurde im letzten Jahr eine Kathode aus Lithium-Eisen-Phosphat entwickelt, die das Potenzial haben soll, eine Fahrbatterie in nur fünf Minuten zu laden.

Zellentest in der Kältekammer: Bis zu minus 30 Grad müssen die Lithium-Ionen-Zellen aushalten udn dürfen auch nicht bei 40 und mehr Hitzegraden kollabieren

Gel anstelle von flüssigem Elektrolyten und die Kombination von Lithium-Metall-Polymer das sind auch die wesentlichen Unterschiede des Kolibri-Akkus zu den herkömmlichen Lithium-Ionen-Stromspeichern. Bei einer erneuten Testfahrt mit kleinerer Batterie wurden 455 Kilometer absolviert und das Technische Prüfinstitut DEKRA wie die Bundesanstalt für Materialforschung attestierten der Batterie die Reichweite. Ob aber auch 455 km 440 Mal erreicht werden, um die Lebens-Laufleistung von 200 000 Kilometern zu erzielen, bleibt offen.

Ausfahrt in die Einöde - mit aussreichend Strom in der Batterie, kein Problem. Strom nachzutanken dauert lange und nicht überall ist eine Steckdose parat

Aber es gibt noch eine andere, interessante Batterie. Denn im streng wissenschaftlichen Sinn gehört die Brennstoffzelle auch zu einer elektromechanischen Zelle, wie die der Lithium-Technologie. Der Begriff Wasserstoff-Luft-Batterie wäre hier angebracht. Sie hat bei den Forschern das größere Potential der nahen Zukunft. Nicht wenige Ingenieure bezeichnen daher die herkömmlichen, schweren Lithium-Akkupakete heute als Brückentechnologie für den Wasserstoffkreislauf.