"Wir stecken noch in der Findungsphase"

Prof. Dr. Martin Winter hat eine Stiftungsprofessur für angewandte Materialwissenschaften zur Energiespeicherung und Energieumwandlung an der Universität Münster inne. Mit seinen 15 Jahren Erfahrung in der Erforschung von Lithium-Ionen-Batterien schätzt Winter im Gespräch mit ATZelektronik die Technologiereife des Energiespeichers für die Automobilindustrie ein.

Ist die Lithium-Ionen-Technologie reif genug?
Noch nie war diese Technologie reifer als heute. Die großen Erfolge in Konsumentenanwendungen wecken allerdings übertriebene Erwartungen an den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Der Zeitdruck, den sich die Hersteller selber geschaffen haben, führt dazu, dass eine Technologie als reif eingeschätzt wird, auch wenn man sie über einen längeren Zeitraum noch testen müsste. Keiner kann in einem Jahr einen Fünf-Jahres-Test machen. Die Länge des Weges, den Batterielieferanten, Systemzulieferer und OEMs in Richtung serienreifer Anwendungen noch gehen müssen, wird allerdings sehr unterschiedlich eingeschätzt. Möglicherweise werden alle noch überrascht, wie langsam, aber auch wie schnell sich die Lithium-Ionen-Batterien in Fahrzeugen durchsetzen werden.

Was heißt Serienreife?
Unter Großserie verstehe ich Stückzahlen von einigen tausend Fahrzeugen pro Jahr - bei ersten Kleinserien spricht die Branche von wenigen hundert. Ein Beispiel ist der Toyota Vitz, in Europa unter Yaris bekannt. Einige hundert Kleinwagen fertigen die Japaner jährlich seit 2004 - mit reiner Start-Stopp-Funktion und einer kleinen Lithium-Ionen-Batterie, wie sie mit 12 Ah in Akkubohrern eingesetzt wird. Stückzahlen lassen sich nicht einfach so hochschrauben. Insbesondere in der jetzigen Anfangszeit, wo selbst erfahrene Batteriehersteller erst beginnen, sozusagen automotive zu denken. Sie müssen zudem ihre Fertigung noch standardisieren, diese vereinfachen und Fertigungstoleranzen sukzessive verkleinern.

Wie groß ist das Sicherheitsrisiko von Lithium-Ionen-Batterien?
Intrinsisch finden in Batterien - auch in Lithium-Ionen-Batterien - Nebenreaktionen statt, die zur Instabilität führen. Man hat Wege gefunden, die Probleme zu minimieren und die Systeme elektrisch zu überwachen und sicher zu machen - auch unter chemischen und mechanischen Gesichtspunkten. Im Vergleich mit Batterien für Computer muss man bei großen Batteriepacks für Elektrofahrzeuge besondere Vorsicht walten lassen. Mehr Energieinhalt bedeutet mehr Verantwortung - und sollten die Sicherheitsmaßnahmen im Extremfall nicht greifen, brennt die Batterie richtig.

Welches Timing leiten Sie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge ab?
Für Hybridfahrzeuge genügen die bewährten Nickelmetallhydrid-Batterien - bei Stückzahlen oberhalb von 1000 Fahrzeugen derzeit die einzige Möglichkeit, wenn kein elektrisches Fahren gewünscht ist. Lithium-Ionen-Batterien für Elektro-Kleinfahrzeuge sehe ich jenseits von 2012 erst in signifikanten Stückzahlen, wenn alles gut geht. Dort kommen Batteriegrößen zum Einsatz, die bei Plug-in-Hybriden im Mittelklasse-Segment relevant sind. Wenn wir es in der westlichen Welt schaffen, ideale Bedingungen für eine gemeinsame Entwicklung von Batteriesystemen aufzubauen - ich betone gemeinsam und nicht gegeneinander und auf unbürokratische Art und Weise - dann können wir 2013 absehen, wann das Elektrofahrzeug kommt. Ich meine damit nicht Kleinwagen wie den Smart, sondern Familienfahrzeuge. Die finanziellen Mittel sind in Deutschland ja dankenswerter Weise für die Entwicklung geeigneter Batterien seit 2007 seitens Industrie und Politik bereitgestellt worden.

OEMs stehen derzeit vor der Entscheidung, eine relativ alte, aber bewährte Lithium-Ionen-Technologie einzusetzen oder eine neue, bessere Technologie, die aber noch nicht ausreichend getestet ist. Wie würden Sie entscheiden?
Die Crux kann keiner lösen. Es ist oft eine Philosophiefrage: Beispielsweise die Safttechnologie, die bei Mercedes nun in der S-Klasse eingesetzt wird, basiert auf einer seit 15 Jahren bekannten, getesteten und immer wieder optimierten Zelltechnologie. Man weiß, wie man Kühlung und Elektronik einzustellen hat, stellt die Stärken heraus und unterdrückt die Schwächen. Daimler-Ingenieure wissen, dass sie sich mit der Wahl der Nickel-Cobalt-basierten Energiespeicher Schwächen im chemischen Überladeschutz einkauften, werden dies aber entsprechend elektronisch regeln. Toyota setzt diese Technologie im Übrigen auch ein. Andere Hersteller würden den fehlenden Überladeschutz nicht akzeptieren - und sich für die erst seit zwei Jahren in Batteriesystemen eingesetzte Eisen-Phosphat-Technologie entscheiden.

Batterien lediglich einzukaufen, reicht demnach nicht. Toyota und Nissan positionieren sich bereits als Batteriehersteller. Wie wichtig ist dieser Know-how-Aufbau?
Meiner Ansicht nach überlebenswichtig. Der japanische Weg der Rückintegration in der Prozesskette ist schon von Vorteil. Die Lücke müssen Automobilzulieferer derzeit schließen, indem sie mit Batterieherstellern kooperieren. Deutsche OEMs werden über die derzeitigen zeitweisen Kontrakte hinaus strategische Partnerschaften schließen müssen.

Warum ist es notwendig, dass sich OEMs bei der Lithium-Ionen-Techologie soweit hineindenken müssen?
Weil die Gestaltungsmöglichkeit und das Design dieser Batterien so vielfältig sind. Blei- und Nickel-Metallhydrid-Batterien kann man noch als Blackbox mit klar definierter Chemie sehen. Lithium-Ionen-Akkus hingegen nicht. Sie lassen sich maßschneidern. Mit fast unendlich vielen Materialpaarungen und Spannungsniveaus können die Energiespeicher auf die verschiedenen Einsatzzwecke wie den Grad der Hybridisierung eines Antriebsstrangs parametriert werden - genauso, wie heutige Verbrennungsmotoren und Antriebe bis ins Feinste charakterisiert und wettbewerbsdifferenzierend abgestimmt werden. Und hier muss der OEM mit gestalten können - allein schon, um zu vermeiden, nichteinschätzbare Batterien von der Stange zu bekommen.

Spätestens hier trifft der Elektroniker den Chemiker. Was können beide voneinander lernen?
Viele unterschätzen, dass Batteriematerialien einen Systemanspruch haben. Beide Wissenschaften müssen sich aufeinander zu bewegen und eine Sprache finden. Elektroniker sehen Batterien nur unter physikalischen Gesichtpunkten und vergessen zum Beispiel, dass Batterien wie ein lebender Organismus altern: Sie sehen oft nicht, dass chemische Änderungen stattfinden, die sich kontinuierlich auf die Elektronik auswirken. Das modellhafte Denken und Steuern können die Chemiker von Elektronikern lernen - beispielsweise den Chemie- und Ladungstransport voraussagen. Und sicher noch vielmehr.

Und diese Brücke wollen Sie in Münster schlagen?
Wir werden sie schlagen müssen. Und zudem schließen wir über industrienahe Forschung die Lücke zur Grundlagenforschung.

Bisher scheiterte die Batterieentwicklung am Henne-Ei-Prinzip. Unter Sicherheitsaspekten und unter finanziellen Gesichtspunkten bewegt sich die Branche immer noch im Kreis.
Es gibt nur die Chance: Wir müssen trotz der Risiken durchstarten. Das geschieht auch derzeit. Langfristig werden sich Lithium-Ionen-Batterien in Automobilen rechnen. Das Geldverdienen muss vorerst allerdings hinten anstehen.

Herr Professor Winter, ich bedanke mich für das Gespräch.


Autor(en): Markus Schöttle

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