"Engpass ist der Elektrolyt"

Die Materialkonzepte und Rezepturen für Lithium-basierte Akkumulatoren sorgen für eine neue, tiefgreifendere Diskussion und Bewertung von elektrischen Energiespeichern. Um zu verstehen, welche Parameter hier künftig gelten, müssen Physiker und Autobauer in die Zellchemie abtauchen, jedenfalls ein Stück weit. Bei der Navigation hilft Professor Martin Winter von der Universität Münster im Gespräch mit ATZelektronik.

Lithium-Ionen-Zellen, also die Einzelelemente einer Lithium-Ionen-Batterie, werden im heutigen Sprachgebrauch fälschlicherweise als Lithium-Ionen-Batterien bezeichnet. Lässt sich dies nochmal korrigieren?
Viele Begriffe werden falsch angewendet. Solange alle aber das gleiche darunter verstehen, kann ich damit leben.

600 Kilometer mit einer Batterieladung beim Kolibri-Projekt - derartige Rekordfahrten sollten beweisen, dass Lithium-Polymer-Akkumulatoren mehr können, als manche Forscher meinen. Haben Sie etwas verpasst?
Nein. Wir hätten hier gern zur Aufklärung und Begutachtung beigetragen. Die unseriöse, in sich nicht schlüssige Darstellung des Reichweitenrekords hat viele Fragen aufgeworfen. Es ist zu bezweifeln, dass wir jemals die Daten bekommen werden, die es uns erlauben, diese Technik wirklich zu beurteilen. Schade eigentlich, denn in dieser Form schadet die Aktivität mehr dem Ansehen der Batterie, als dass sie nützt.

Die Autohersteller wollen bei der Lithium-Ionen-Technik nicht stehen bleiben. Wo liegen die Potenziale der Lithium-Metall-Polymer-Batterien, die bei der Rekordfahrt eingesetzt wurden?
Erst einmal ist nicht klar, ob wirklich solche Lithium-Metall-basierten Akkumulatoren im Fahrzeug waren und ob sie heute im neuen Fahrzeug noch verbaut sind. Wenn das der Fall sein sollte, geht es doch erst einmal nicht nur ausschließlich um Reichweite. Zunächst geht es den Automobilherstellern darum, leistungsfähige Zellen an Bord zu haben. Die müssen zusätzlich 100 Prozent sicher sein und die geforderte Lebensdauer gewährleisten. Energiedichte und auch die Kosten sind für die ersten Fahrzeuge nicht von primärer Bedeutung. Es muss erst einmal der Beweis erbracht werden, dass es funktioniert.

Obwohl mit dem jetzt schärferen Wettbewerb der Batteriehersteller die Preise sinken?
Ja, und die Kosten müssen noch drastischer fallen. Je nach Preissteigerungsraten von Rohöl können so Lithium-Akkumulatoren dadurch wettbewerbsfähiger werden. Das ist zu begrüßen. Noch ein Wort zur Reichweite: Lithium-Ionen-Batterien enthalten nur ein bis zwei Gewichtsprozent Lithium. Und nur das vorhandene Lithium lässt sich in Antriebsenergie umsetzen. Der Rest der Zellchemie ist sozusagen "Verdünnung", um die Zellen langlebiger, sicherer und dynamischer und berechenbarer zu machen. Wenn man den Lithiumanteil in den Zellen künftig sukzessive erhöhen und gleichzeitig Lebensdauer, Sicherheitsstatus sowie Dynamik der Lithium-Ionen-Chemie erhalten kann, dann wäre man einen großen Schritt weiter zu mehr Reichweite, die auch praktisch einsetzbar ist. In reinem Lithium-Metall beträgt der Lithiumanteil 100 Prozent, aber die Vergangenheit hat gezeigt, dass die Lithium-Metall-Chemie eben nicht die langlebigste und in einer Großserienproduktion auch noch nicht die sicherste ist.

Energiezellen für Elektrofahrzeuge sollen mittlerweile so leistungsfähig sein, dass sie sich für den Einsatz in Hybridfahrzeugen eignen.
Wir erleben eine Art Retroentwicklung bei den Lithium-Ionen-Batterien, vormals von der Energiezelle im Computer zur Leistungszelle im Akkuschrauber und Hybridfahrzeug, jetzt wieder zurück zur Energiezelle für das Elektroauto mit dann im Vergleich zum Anfang verbesserten Leistungswerten. Das gelingt durch neue Elektrodenkonzepte, besseres Zelldesign und insbesondere neue Materialkonzepte, gerade auch mit dem Mischen von Materialien zu so genannten Verbundmaterialien. Einfach ausgedrückt: Wir mischen Energiematerial mit Leistungsmaterial und erreichen viel Synergie. Letztlich muss man aber bei ganz hohen Anforderungen an Leistung oder Energie Kompromisse machen. Beides in einem bis zum Maximum geht noch nicht.

Welche Materialien favorisieren Sie in künftigen Zellengenerationen?
Bei der Lithium-Ionen-Chemie werden die nächsten Generationen sicherere und energiereichere Materialien beinhalten, weniger organische Lösungsmittel und Separatoren, stattdessen mehr Anorganik und Keramik, darüber hinaus weniger inaktive Verdünnung, also mehr Lithium. Über die Lithium-Ionen-Technologie hinaus sind Hochenergieakkumulatoren im Gespräch, die nicht mehr als Lithium-Ionen-Chemie bezeichnet werden können, wie Metall-Luft-Zellen, zum Beispiel die Lithium-Luft- oder die Lithium-Schwefel-Zellen.

Was geschieht auf Seiten der Kathode und der Anode?
Für die Anode der Lithium-Ionen-Zelle, also die negative Elektrode, kann man Metalle einsetzen, die mit Lithium elektrochemisch eine Legierung bilden - wie Zinn oder Silizium. So kann zehnmal so viel Lithium gespeichert werden wie im derzeitigen Anodenmaterial, dem Graphit. Bei der Kathode, der positiven Elektrode, ist die Speicherfähigkeit von Lithium begrenzt, denn hier ist Lithium in der Struktur bereits eingelagert, und solche Strukturen sind nur bei relativ kleinem Gehalt an Lithium stabil. In dieser Anoden-Kathoden-Paarung ist ein extremes Ungleichgewicht zu beobachten: Die Silizium-Anode hat eine Kapazität von bis zu 4000 Ah/kg, die Kathode lediglich 150 bis 250 Ah/kg. Das lässt sich dann nur schwer balancieren. Das heißt, man braucht dann rund 20-mal so viel Kathodenmaterial, um die Kapazität der Anode gewichtsmäßig auszugleichen.

Welche Materialpaarungen ermöglichen die Balance?
Wenn man Materialien mit hoher Kapazität in beiden Elektroden einsetzen will, hat die Lithium-Metall-Chemie große Vorteile gegenüber der Lithium-Ionen-Chemie. Das gilt allerdings nur für bestimmte Materialpaarungen, wie die Lithium-Schwefel- und die Lithium-Luft-Technik. Während aus heutiger Sicht das Limit der Lithium-Ionen-Zelle bei Energieinhalten von zirka 250 bis 300 Wh/kg liegt (und das ist schon zweimal so viel wie heute realisiert), liegt die Grenze bei den Lithium-Schwefel-Zellen bei 500 Wh/kg und bei der Lithium-Luft-Zelle dann schon über 1000 Wh/kg. Diese Energieinhalte treiben die Forschung auf diesen Systemen an.

Lässt sich das von Ihnen beschriebene Ungleichgewicht nicht durch alternative Materialstrukturen lösen?
Lösen wohl nicht, aber abmildern. Bei der Lithium-Ionen-Chemie scheint es ein gangbarer Weg zu sein, nanostrukturierte Verbundmaterialien einzusetzen, sowohl für die Anode als auch die Kathode. Hier werden hochkapazitive, aber in der Lebensdauer beschränkte Materialien, mit lebensdauerstarken, aber niederkapazitiven Materialien verbunden.

Bei Nanostrukturen können Elektroniker mitreden, bei Elektrolyten weniger.
Elektrolyte nehmen eine oft unterschätzte Schlüsselrolle ein: Lebensdauer, Sicherheit und Leistung werden vom Elektrolyt entscheidend mitbestimmt. Der Standard sind Flüssigelektrolyte auf Basis organischer Lösungsmittel. Die Herstellung solcher Elektrolyte und das Verständnis dazu werden von japanischen und südkoreanischen Firmen dominiert. Das ist bei uns inzwischen erkannt worden. Wir arbeiten in Münster an spannenden Alternativen: zum Beispiel an Polymeren, die zu einem festen Film verarbeitet wurden, oder an flüssigen Salzen, also ionischen Flüssigkeiten, die bei Raumtemperatur geschmolzen wurden. Das Polymer ist wesentlich preiswerter als die ionische Flüssigkeit; die ionische Flüssigkeit zeigt ein besseres Leistungsverhalten. Deshalb mischen wir Polymer und ionische Flüssigkeit zu einem Film. 1000 Lade-Entlade-Zyklen mit einer Lithium-Metall-Elektrode haben wir bereits damit durchfahren. Bei Lithium-Metall-Elektroden besteht ja sonst immer die Gefahr, dass der organische Flüssig-Elektrolyt brennt. Mit unserem festen Elektrolyten lässt sich diese Gefahr ein Stück weit bannen. Das Polymer liegt dabei sozusagen hautnah auf der Lithium-Metall-Folie an, wodurch die Kontaktfläche zwischen Lithium und Elektrolyt immer definiert ist.

Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung zeichnet eine Technologie-Roadmap für Lithium-basierte Batterien bis 2030. Lässt sich danach jetzt die Uhr stellen?
Diese Roadmap gibt zunächst den Forschern eine visuelle Orientierung und ist als wichtiger Zwischenbericht zu sehen - ein Zwischenbericht, der jederzeit revidier- und veränderbar ist. Forschungsprojekte sind immer dynamisch und in ihrem endgültigen Ausgang nicht vorhersagbar. Mit guten Ergebnissen können wir jede Roadmap verkürzen, umgekehrt werfen uns schlechte Ergebnisse immer ein wenig zurück. Ein Freund von mir sagt immer: Forschung kann man planen, aber nicht die Ergebnisse. Das gilt insbesondere auch für die Batterieforschung.

Herr Professor Winter, wir bedanken uns für das Gespräch.

(Bild: Alexandra Lechner)


Autor(en): Markus Schöttle und Johannes Winterhagen

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