07.04.2024, 16:10 Uhr | Lesezeit: 10 Minuten

E-Autos sind die Zukunft des PKWs, doch ohne eine leistungsfähige Batterie bleibt diese Zukunft auf der Strecke. Was lange als Standard in der Batterietechnik galt, wird allmählich von Innovationen abgelöst. Gerade aus China kommen immer neue Ideen. TECHBOOK gibt daher den Überblick, welche Akkus aktuell und in naher Zukunft auf unseren Straßen unterwegs sind.

Diese Sorge lässt sich mit zwei Ansätzen aus dem Weg räumen: mit einem breit ausgebauten Schnelllade-Netz und einer möglichst leistungsfähigen E-Auto-Batterie. Die Batterie bildet das Herzstück des E-Autos, schließlich entscheidet sie über seine Reichweite, Sicherheit, Lebensdauer und Ladezeiten. TECHBOOK gibt daher den Überblick, welche E-Auto-Batterien geläufig sind und welche Hoffnungen die Forschung sich macht.

Was steck im E-Auto – Akku oder Batterie?

Im Zusammenhang von E-Autos spricht man manchmal von einem Akku, häufiger aber von einer Batterie. Das kann für Verwirrung sorgen. „Batterie“ ist zunächst nur ein Oberbegriff für einen Energiespeicher, der chemische Energie in elektrische umwandelt. Batterien im engeren Sinne, auch Primärbatterien genannt, entladen sich einmal, können dann aber nicht wieder aufgeladen werden.

Akkus oder Sekundärbatterien dagegen kann man nach der Entladung wieder aufladen und wiederverwenden. Akkus sind daher eine Unterform von Batterien im weiteren Sinne. Spricht man bei E-Autos von Batterien, meint man streng genommen Akkus. Letztlich ist der Begriff Batterie in diesem Kontext aber nicht falsch und vor allem umgangssprachlich verbreitet.

Grundsätzlich setzt sich eine E-Auto-Batterie aus drei Komponenten zusammen: Einer Kathode (Minuspol) sowie einer Anode (Pluspol) und einem Elektrolyt, der die beiden Pole verbindet. Der Elektrolyt kann ein Gel oder ein Feststoff sein. Bei E-Autos liegen rentable Feststoff-Batterien allerdings noch in weiter Ferne. Durch den Elektrolyt wandern die Elektronen von Pol zu Pol. Bei einer aufgeladenen Batterie sammeln sich die negativ geladenen Elektronen am Pluspol, also an der Anode.

Bei der Entladung wandern die überschüssigen Elektroden dann zur Kathode, wodurch der Strom zu fließen beginnt. Beim Aufladen führt der zugeführte Ladestrom die Elektronen zurück zur Anode, sodass erneut ein Ungleichgewicht in der Elektronenverteilung entsteht. Dieser Vorgang nennt sich Reduktion-Oxidation-Reaktion – oder kurz: Redoxreaktion.

Weiter, kleiner, leichter

Bei einem E-Auto bilden der Elektromotor und die Batterie das Herz des Fahrzeugs. Tatsächlich ist der Akku auch die teuerste Komponente und zwar nach dem Prinzip: Je mehr Leistung er bringt, desto teurer ist er auch. Das Ziel der E-Auto-Hersteller ist es daher, Batterien zu entwickeln, die möglichst leistungsstark, klein, leicht und günstig sind. Denn je größer und schwerer ein E-Auto ist, desto mehr Energie benötigt es für seinen Antrieb.

Ein zweites Problem – in mehrfacher Hinsicht – ist die Rohstoffgewinnung. Bislang werden in Deutschland vor allem Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt, für die man unter anderem Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan benötigt. Diese Metalle werden in Minen in Australien, Russland und im Kongo gewonnen.

Der Abbau erfolgt oft – vor allem im Kongo – mit dem Einsatz von Kinderarbeit, unter Missachtung von Menschenrechten und Naturschutzstandards. Das ist nicht nur schlecht für die Öko-Bilanz von E-Autos, sondern auch moralisch mindestens bedenklich. Da Nickel und Kobalt giftige Schwermetalle sind, ist auch ihre Entsorgung entsprechend teuer. Davon abgesehen ist der globale Vorrat von diesen Metallen begrenzt, sodass es nur eine Frage der Zeit ist, bis alternative Batterien entwickelt werden müssen.

Lithium-Batterien als Standard in vielen E-Autos

Bisher sind Lithium-Batterien die vorherrschenden Akkus für E-Autos, besonders bei europäischen und amerikanischen Marken. Dabei wird vor allem auf Nickel-Mangan-Kobalt-Akkumulatoren (NMC) und auf Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren (LFP) gesetzt. Mittlerweile ermöglichen diese Energiespeicher solide Reichweiten. In einem Praxistest hat der ADAC die tatsächliche Reichweite von gängigen E-Auto-Modellen geprüft, die insgesamt zwischen 150 und 610 Kilometern lag. Das Mittelfeld bewegte sich zwischen 250 und 500 Kilometern pro Vollladung. Parameter wie Geschwindigkeit und Außentemperatur beeinflussen die faktische Reichweite allerdings stark.

Da diese Lithium-Batterien bisher besonders viel im Einsatz waren, sind sie auch entsprechend umfassend erforscht. Einerseits konnte es Entwicklern so gelingen, die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus in den vergangenen acht Jahren zu verdoppeln. Andererseits schätzen Experten, dass das Optimierungspotenzial weitgehend ausgeschöpft ist. Und der Innovationsbedarf ist aus mehreren Gründen groß.

Der Klassiker: Die Nickel-Mangan-Cobalt-Batterie (NBC)

Ihren Namen hat die NMC-Batterie von den Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden, aus denen die Kathode besteht. Eine NMC-Batterie zeichnet sich vor allem durch eine hohe Leistungsfähigkeit und eine lange Lebensdauer aus. Dazu gehört auch eine geringe Selbstentladung bei Nichtnutzung von 1 bis 2 Prozent pro Monat. Allerdings empfiehlt es sich, den Akku nur zu 80 Prozent zu laden, um seine Langlebigkeit zu fördern.

Dass NMC-Batterien so leistungsfähig sind, hat unter anderem mit der hohen Reaktionsfreudigkeit von Lithium zu tun. Allerdings geht diese Eigenschaft auch mit einer hohen Entzündlichkeit einher. Das „thermische Durchgehen“ einer Batterie beschreibt die chemische Kettenreaktion, die einen Brand oder gar eine Explosion auslöst. Um dieses Risiko zu senken, müssen die Zellen der Batterie luftdicht verschlossen und sorgfältig gekühlt werden. Sollte der Akku aber physisch beschädigt werden – was bei einem Autounfall durchaus vorkommen kann – steigt die Brandgefahr enorm.

Gleichzeitig reagieren NMC-Akkus empfindlich auf große Temperaturschwankungen. Unterhalb von fünf Grad und oberhalb von 40 Grad wird die Zellchemie vergleichsweise träge und büßt an Leistungsfähigkeit ein. Schon im klimatisch gemäßigten Deutschland können hier Probleme oder nachhaltige Schäden an der Batterie auftreten. All das erfordert ein aufwendiges Batteriemanagementsystem, was wiederum zusätzlichen Platz wegnimmt und den Preis in die Höhe treibt.

Die Alternative: Lithium-Eisenphosphat-Akku (LFP)

Der Einsatz von LFP-Batterien wurde als Durchbruch in der E-Auto-Branche beworben – zumindest von CATL, dem weltweit größten PKW-Batteriezellen-Hersteller. Das chinesische Unternehmen legte 2023 mit seiner Shenxing-Batterie die Messlatte für LFP-Zellen noch ein Stückchen höher. Kurze Ladezeiten und 700 km Reichweite unter Idealbedingungen sollte Shenxing haben. Mittlerweile stecken – mal mehr, mal weniger leistungsstarke – LFP-Akkus in etwa jedem dritten E-Auto. Besonders Tesla und chinesischen Hersteller wie BYD und XPeng haben sich auf den Einsatz von LFP-Akkus spezialisiert.

Ein LFP-Akku zeichnet sich im Gegensatz zu NMC-Batterien durch eine Kathode aus Lithiumeisenphosphat aus. Giftige Schwermetalle wie Kobalt, Nickel und Mangan sind bei dieser Variante der Lithium-Batterie nicht nötig. Dadurch und durch die einfachere Gewinnung von Lithiumeisenphosphat sind LFP-Zellen deutlich günstiger als NMC-Batterien. Dementsprechend sind auch preislich attraktativere E-Auto-Modelle möglich, die die Konkurrenz unter Druck setzen.

Gegenüber den NMC-Akkus haben LFP-Batterien außerdem den Vorteil, dass sie robuster sind. Während NMC-Zellen schon bei etwa 198 Grad Celsius thermisch durchgehen, entfaltet sich die Brandgefahr bei LFP-Akkus erst ab 256 Grad Celsius. Hinzukommt, dass es nahezu unmöglich ist, durch rein mechanisches Einwirken einen Brand auszulösen. Die Sicherheit im Straßenverkehr steigt damit enorm und die Hersteller können auf ein aufwendiges Batteriemanagementsystem verzichten. Das spart Platz, Gewicht und Geld.

Im Gegenzug können auf dem gleichen Raum mehr oder größere LFP-Zellen eingebaut werden. Das ist mitunter nötig, weil LFP-Akkus nicht die gleiche Energiedichte wie NMC-Batterien erreichen. Lange Zeit war das der zentrale Nachteil, da damit auch die Reichweite der E-Autos sinkt – ein entscheidendes Kaufargument. Besonders bei kleinen Stadtautos fehlt mit dem Platz für eine mächtigere Batterie auch die Power für größere Reichweiten. Allerdings konnten Entwickler LFP-Akkus in den letzten Jahren so weit verbessern, dass damit bestückte E-Autos – je nach Kundenbedürfnis – dennoch eine gute Alternative zu E-Autos mit NMC-Batterien sind.

Lesen Sie auch: Die Vor- und Nachteile eines E-Kennzeichens beim Auto

Neuer Player: Natrium-Ionen-Batterie

Eigentlich sind Natrium-Ionen-Batterien schon seit den 1980er Jahren bekannt. Doch das größte Manko – damals wie heute – ist die vergleichsweise niedrige Energiedichte. Sie konnte zwar in den letzten Jahren so weit verbessert werden, dass sich der Einsatz in E-Autos lohnt. Doch zu NMC- und LFP-Akkus sind sie (noch) keine direkte Konkurrenz. Vorangetrieben wird die Forschung an Natrium-Ionen-Zellen vor allem von chinesischen Unternehmen. Herausgekommen sind E-Autos, die auf einen günstigen Preis statt auf eine große Reichweite abzielen und damit wichtige Marktsegmente bedienen. Das Modell Seagull von BYD soll aber immer noch über eine Reichweite von 300 km verfügen.

Natrium-Ionen-Akkus sind von der Funktionsweise her grundsätzlich mit Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar, nur dass das Natrium das Lithium ersetzt – wie es der Name vermuten lässt. Der große Vorteil der Natrium-Ionen-Zellen liegt in ihren günstigen Materialien. Natrium ist etwa in Meersalz und Salzstöcken reichlich enthalten und einfach abbaubar. Auf das weltweit begrenzte Lithium kann dagegen ebenso verzichtet werden wie auf giftige Schwermetalle. Das macht die Natrium-Ionen-Batterie weniger umweltschädlich und deutlich billiger. Der Preis liegt bis zu 40 Prozent unter dem von Lithium-Batterien. Gerade deutsche Hersteller könnten sich außerdem von Lieferketten befreien, die mit politischen Abhängigkeiten, ungeplanten Ausfällen und Preisschwankungen einhergehen.

Natrium-Ionen-Batterien sollen außerdem vergleichsweise unempfindlich gegenüber Kälte und mechanischen Einwirkungen sein. In Sachen Langlebigkeit und geringer Speicherverlust kann sich diese Batterie-Alternative ebenfalls mit NMC- und LFP-Akkus messen. Nur der Nachteil der geringeren Energiedichte lässt sich niemals ganz überwinden. Das liegt an den Natrium-Ionen, die deutlich größer und schwerer sind als Lithium-Ionen. Daher bewegt sich die Energiedichte bis zu 40 Prozent unter der von Lithium-Batterien. Ein E-Auto mit Natrium-Ionen-Batterie wird daher bei gleicher Bauweise nie die gleiche Reichweite erreichen. Ob das angesichts des geringeren Preises für die Kunden aber tatsächlich ein Nachteil ist, hängt von den individuellen Anforderungen ab.

Mehr Forschung nötig

Schon jetzt sehen sich deutsche Autohersteller in Sachen E-Auto-Absatz und Forschung mit starker Konkurrenz konfrontiert. Gleichzeitig wird der weltweite Einsatz von E-Autos perspektivisch weiter steigen, ebenso wie der dafür nötige Energieverbrauch und Abbau von nicht nachwachsenden Rohstoffen. Weitere Forschung zu nachhaltigen Akkus für E-Autos ist daher unabdingbar.

Schon jetzt sind verschiedene Alternativen im Gespräch, wie etwa die Magnesium-Schwefel-Batterie. Magnesium ist in großen Mengen verfügbar und Schwefel entsteht oft als Abfallprodukt, beispielsweise auf Entschwefelungsanlagen. Magnesium-Schwefel-Batterien haben eine deutlich größere Energiedichte als Lithium-Zellen und könnten zukünftig in E-Lastkraftwagen ihren Einsatz finden. Allerdings müssten Entwickler bis dahin noch die bisher niedrige Anzahl der Ladezyklen und die Energieeffizienz erhöhen. Lithium-Schwefel-Batterien sind dagegen leicht und günstig in der Herstellung, doch noch fällt der Verschleiß zu stark aus.

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Feststoff-Batterien als Schlüsseltechnologie für E-Autos?

Eine echte Revolution der Branche würde ein Durchbruch beim Feststoff-Akku bedeuten. Statt einem flüssigen Elektrolyt enthält die Zelle einen Feststoff – und würde damit viele Vorteile der verschiedenen bestehenden Akkus in sich vereinen. Zunächst einmal kann ein Feststoff nicht auslaufen. Auch die Gefahr des thermischen Durchgehens fällt geringer aus, wodurch Temperaturmanagementsysteme entfallen könnten. All das würde eine Batterie leichter, günstiger und sicherer machen. Gleichzeitig verfügen Feststoff-Akkus theoretisch über eine hohe Energiedichte und Reichweite sowie eine große Ladeleistung und Langlebigkeit.

Doch all das ist noch nicht in der nötigen Größe praktikabel. Die Ladedauer fällt viel zu lang aus und die Batterie verliert einen erheblichen Teil ihrer Kapazität nach nur wenigen Ladezyklen. Es gibt zwar ein Verfahren, um diese Eigenschaft zu verbessern, doch das findet erst ab 700 Grad Celsius statt. Außerdem ist auch für eine Feststoff-Batterie nach jetzigem Stand das in seinem Vorkommen begrenzte Lithium nötig. Eine ganz praktische Hürde liegt auch in den Akku-Fabriken: Für Feststoff-Akkus müssten neuen Produktionsanlagen entstehen, dabei sind in den letzten Jahren vor allem NMC-Fabriken entstanden. Um es zusammenzufassen: Sowohl bei der Feststoff-Batterie als auch bei anderen Akkus besteht noch viel Forschungs- und Entwicklungsbedarf, um eine tatsächlich nachhaltige Antriebsalternative zum Verbrenner-Motor in Autos zu entwickeln.