Mobil zu sein ist heute selbstverständlich. Für eine energieeffiziente und klimafreundliche Mobilität der Zukunft eröffneten das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und BASF im Oktober das Gemeinschaftslabor BELLA (Battery and Electrochemistry), an dem künftig neue Batteriematerialien für Elektroautos entwickelt werden. Dr. Andreas Fischer hat für uns einige Basisfakten zur Materialforschung zusammengestellt.

Schon bei den Automobilpionieren standen Elektroautos hoch im Kurs. Auf den Straßen von Berlin, Paris und New York waren um 1900 sogar mehr Fahrzeuge mit Elektro- als mit Verbrennungsmotor unterwegs. Damals konnte sich der umweltfreundliche Antrieb nicht durchsetzen, da die Batterietechnik noch in den Kinderschuhen steckte.

Einhundert Jahre später versorgen wiederaufladbare Lithium-Ionen Batterien wie selbstverständlich Handys und Laptops mit Strom. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Kathode aus Lithiummetalloxiden, einer kohlenstoffhaltigen Anode sowie einem Lithium-Ionen-leitenden Elektrolyten. Anode und Kathode werden durch einen Separator getrennt, welcher auch den Elektrolyten enthält.

Für den Einsatz in Elektroautos sind Lithium-Ionen Akkus nach wie vor sehr schwer und ihre Reichweite zu gering. Bei heutigen Batterien gilt: Jedes Kilogramm an Gewicht entspricht etwa einem Kilometer Reichweite. Um die Leistungsfähigkeit der Batterien zu verbessern, haben die Hersteller zwei Möglichkeiten: Entweder sie bauen größere und schwerere Batterien in ein Auto ein oder sie bringen mehr Energie in die Batterie. Forscher der BASF entwickeln deshalb gemeinsam mit internationalen Kooperationspartnern Materialien für leistungsfähigere Batterien mit einer höheren Energiedichte. Am Standort Elyria im US-Bundesstaat Ohio zum Beispiel läuft 2012 die Produktion innovativer Kathodenmaterialien auf Basis von Nickel-, Cobalt- und Manganoxiden (NCM) an.

Parallel zu Materialien für leistungsfähige Lithium-Ionen Batterien arbeiten BASF-Forscher gemeinsam mit dem Kooperationspartner Sion Power (Tucson, Arizona) an der nächsten Batteriegeneration, der Lithium-Schwefel-Batterie. Diese Batterie besteht aus einer Lithium-Anode und einer Schwefelhaltigen-Kathode.

Die höhere Energiedichte dieser Batterie im Vergleich zur Lithium-Ionen Batterie verhilft dem Elektroauto zu einer größeren Reichweite bei gleichem Batteriegewicht. Diese Technologie steht jedoch noch am Anfang der Entwicklung. Die wesentlichen Herausforderungen für die Forscher: Die Lebensdauer – als Gradmesser gilt die Anzahl an Ladungszyklen – ist noch zu gering, die Selbstentladung ist noch zu hoch. Neben hohen Sicherheitsstandards muss eine möglichst kurze Ladezeit gewährleistet sein.

Einen weiteren Sprung bei der Energiedichte und Leistung versprechen sich die Forscher von der übernächsten Generation, der Lithium-Luft-Batterie. Sie ähnelt einerseits der Lithium-Batterie, andererseits der Brennstoffzelle. Sie soll annähernd Reichweiten heutiger Autos ermöglichen. Die große Herausforderung bei der Entwicklung dieses Batterietyps besteht darin, dass das System auf der Luftseite nach außen offen ist. Dadurch kann der Elektrolyt verdampfen, außerdem ist die Zelle Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, die der Lithiumanode schadet.