Suchen

Akkutrends Das sind die Nachfolger des Lithium-Ionen-Akkus

| Autor / Redakteur: Margit Kuther / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Lithium-Ionen-Akkus sind ausgereift und Teil unseres Alltags. Doch neue Technologien sind schon in Planung. Akkuexperte Sven Bauer informiert über zukünftige Speichertechnologien.

Firma zum Thema

Entwicklerforum Akkutechnologien in Aschaffenburg: Sven Bauer informiert über Trends und Entwicklungspotenziale von Akkutechnologien
Entwicklerforum Akkutechnologien in Aschaffenburg: Sven Bauer informiert über Trends und Entwicklungspotenziale von Akkutechnologien
(Bild: Thomas Kuther)

Schon Ende der 90er Jahre, als sich viele noch auf Blei- und Nickel-Cadmium-Batterien fokussierten, erkannte Sven Bauer, BMZ-Gründer und Geschäftsführer von Batteryuniversity, einem unabhängigen Testlabor für Batterien, das gigantische Potenzial von Lithium-Ionen-Zellen als Energiegespeichermedium. Jetzt gibt Sven Bauer einen Ausblick auf die kommenden Akkutechnologien.

Bis etwa 2020: Lithium-Legierung / Kohlenstoff-Komposit-Batterien

Das Kathodenmaterial dieser Batteriezellen bleibt im Vergleich unverändert, verbessertes Anodenmaterial bringt 30 bis 50% mehr spezifische Energie. Dadurch verbessert sich die Energiedichte gravimetrisch und volumetrisch um plus 15 Prozent auf Systemebene.

Bildergalerie

Für diese Systeme stellt die Lebensdauer einen möglichen Schlüsselparameter dar, was eventuell eine längere Entwicklungszeit erfordert, um die Marke von etwa 2500 Zyklen bzw. 10 Jahren Lebensdauer zu erreichen.

Die Sicherheit eines EUCARLevels von kleiner gleich 4 dürfte mit dem System erreichbar sein, sie stellt keinen kritischen Parameter dar. EUCAR (European Council for Automotive R&D) legt Gefährdungsstufen für elektrische Energiespeichertechnologien fest, die auf der Widerstandsfähigkeit einer Technologie angesichts von Missbrauchsbedingungen basieren.

Leicht steigende Kosten

Sowohl Zell- als auch Systemkosten dürften leicht steigen. Ähnlich der Staffelung der Elektrolyte nach Spannung bei den Hochenergiesystemen ließen sich auch Anodenmaterialien z.B. nach ihrer spezifischen Kapazität bei den Systemen mit Lithium-Legierungen / Kohlenstoff-Kompositen staffeln.

Mit Blick auf den Produktionsprozess muss die Fertigung der Elektroden für Lithium-Legierung / Kohlenstoff-Komposit-Batterien zwangsweise wasser-und sauerstofffrei erfolgen, sobald Lithium als Legierungsbestandteil oder als Elektrodenmetall vorgesehen ist. Dies ist heute in der Regel nicht der Fall. Die Weiterverarbeitung der fertiggestellten Elektroden könnte dann wiederum ohne große weitere Veränderungen stattfinden.

Bis etwa 2025: Lithium-Schwefel-Batterien

In der Forschung und Entwicklung von Lithium-Schwefel-Batterien werden im Moment rasche Fortschritte verzeichnet. Im Falle der Energiedichte zeigt sich zwar noch eine gewisse Unsicherheit bezüglich der tatsächlichen Entwicklung, aber ein Verbesserungsfaktor von 1,5 (volumetrisch) bis 3 (gravimetrisch) für Zelle und System beim Einsatz dieses Systems im Elektromobil scheint realistisch.

Bei der bestmöglichen Zelle kann die Energiedichte des Systems sogar um den Faktor 4 größer sein als im Referenzsystem. Allerdings ist diese nicht automatisch für den Einsatz im Elektromobil geeignet. Bezüglich der Lebensdauer werden auf Zellebene bereits heute eine Zyklenzahl von 500 bis 600 Zyklen im Laborumfeld erreicht, was einer Entwicklung mit dem Faktor 3 innerhalb der letzten zwei bis drei Jahren entspricht.

Die Verfügbarkeit von Systemen wird bis zum Jahr 2020 erwartet, der Einsatz in batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) im Zeitraum zwischen den Jahren 2025 und 2030.

Während die erreichbare Zyklenzahl auf ungefähr 1.000 Zyklen bis zum Jahr 2020 geschätzt wird und einen Schlüsselparameter darstellt, ist die kalendarische Lebensdauer des Systems derzeitig kaum seriös abschätzbar.

Die Sicherheit stellt angesichts des eingesetzten Anodenmaterials noch ein großes Problem dar und ist als Schlüsselparameter ebenfalls nur schwer einzuschätzen.

2030 bis 2040: Lithium-Luft-Batterien

Die wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterie wird sogar auf Zellebene erst im Zeitraum ab dem Jahr 2030 erwartet, und es ist noch offen, ob wieder aufladbare Systeme für den Einsatz in Elektrofahrzeugen überhaupt realisiert werden können.

Das Konzept ist allerdings sehr attraktiv: Weil die Luft aus der Umgebung entnommen werden könnte, wird die Kapazität einzig durch die Anodengröße bestimmt. Die für den kommerziell verfügbaren Einsatz erwartete Energiedichte ist deshalb sehr hoch (etwa Faktor 7 bis 10 gegenüber dem heutigen Referenzsystem). Gegenüber den zuvor beschriebenen Konzepten stellt die Lithium- Luft-Batterie in punkto Energiedichte das Optimum der Lithium-basierten Systeme dar.

Trotz der intensiven Diskussion um die Lithium-Luft-Batterie als potenzieller Energiespeichertechnologie ist bislang noch kein schlüssiges technologisches Konzept bzw. ein über zahlreiche Ladungszyklen hinweg funktionierender Prototyp vorgelegt worden.

Bildergalerie

Die technologischen Herausforderungen sind sehr groß bzw. der aktuelle Stand hat die Grundlagenforschung noch nicht verlassen. Aus heutiger Sicht lassen sich deshalb noch keine seriösen Leistungsdaten abschätzen.

Durch die langen Entwicklungszeiten zur Realisierung des Systems und Einführung in der Anwendung spielen solche Technologien in Traktionsanwendungen und in der stationären Speicherung in absehbarer Zukunft noch keine Rolle.

Dieser Beitrag stammt von unserer Schwesterpublikation ELEKTRONIKPRAXIS.

(ID:43636557)