Gesucht wird seit Längerem ein «Wunderakku», der alles kann. 2022 gab der Tesla-Batterieforscher Jeff Dahn bei einer Online-Konferenz des Batteriesoftware-Analyse-Unternehmens Twaice einen Zwischenbericht seiner Arbeit. Ziel sei es weiterhin, eine Batterie zu entwerfen, die 1,6 Mio. km durchhält, ohne nennenswert an Leistungsfähigkeit zu verlieren, so Dahn.
SALD-Akkutechnologie
Das SALD (Spatial Atom Layer Deposition) ist dabei ein Konzept, das die Batterien auf ein neues Niveau heben soll. Allerdings handelt es sich nicht um eine revolutionäre Art der Batterie, sondern um eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ionen), bei der die Zellen mit einer ultradünnen Atombeschichtung ummantelt werden, welche den Ionen-Fluss zwischen Anode sowie Kathode deutlich erleichtert und damit die Sicherheit und Langlebigkeit verbessert. Auch die gewünschte Reichweite von bis zu 1000 km soll so möglich sein, zudem ein deutlich schnelleres Laden.
Dahn hatte bereits im Oktober 2020 eine neue Zelle vorgestellt, die rund 10000 Ladezyklen verkraftet. Bei einem E-Auto mit einer Reichweite von 350 km entspräche diese Lebensdauer einer Fahrleistung von mehr als 3 Mio. km. Aktuelle Elektroautos schaffen 2500 Ladezyklen, wobei die Kapazität danach nur noch 60 bis 70 % beträgt.
Ein weiterer Vorteil dieser Marathon-Akkus ist, dass sie problemlos als Energiespeicher verwendet werden können und bei intelligenter Vernetzung also zugleich Lade- und Energieprobleme lösen können. Dahns bisherige Entwicklungen gingen in die Richtung, die Pulverpartikel des Speichermaterials als perfekte Kristallpartikel herzustellen, welche weniger durch den Elektrolyten angegriffen werden, weshalb sie bedeutend länger halten. Weitere gezielte Veränderungen der Materialzusammensetzung sollen den Akku weiter stabilisieren.
Feststoff-Akku: Keramik gegen Dendriten
Mit schnelleren Ladezeiten, einer höheren Energiedichte und mehr Leistung bietet die Feststoffzellenbatterie ähnliche Vorteile wie das SALD-Verfahren. Dass diese Akkus kommen werden, gilt als gesetzt. Dadurch, dass die Ladung nicht mehr durch einen flüssigen, sondern einen festen Elektrolyten transportiert wird und der Minuspol, der bisher aus Grafit besteht, durch reines, metallisches Lithium ersetzt werden soll, könnten die Batterien leichter werden und etwa 30 bis 40 % mehr Reichweite bringen.
Allerdings bilden sich bei den bisherigen Li-Ionen-Batterien beim Be- und Entladen nach und nach kleine Metallnadeln auf dem Lithium. Sie werden Dendrite genannt und können im schlimmsten Fall zu einem Kurzschluss der Batterie führen. Um das zu verhindern, ersetzt man bei der Festkörperbatterie den flüssigen Elektrolyt zwischen den Elektroden durch eine dünne Keramikschicht. Die ist nicht brennbar, leitet aber die Li-Ionen und bildet zudem eine mechanische Barriere gegen die erwähnten Metallnadeln.
Die Schwierigkeit besteht in der Fertigung dieser Zellen, denn die schützende Keramikschicht muss über lange Zeit stabil bleiben. Auch die vielen kleinen Kontaktflächen der verschiedenen Festkörper dürfen beim Be- und Entladen nicht abreissen. Mercedes tüftelt schon länger an diesen Zellen, hat aber erkannt, dass es nicht so schnell vorangeht wie ursprünglich gedacht. Die Feststoffzellen-Akkus kommen zunächst in Bussen zum Einsatz, weil hier mehr Platz vorhanden ist und auch die thermischen Probleme besser beherrschbar sind. Der Mitbewerber BMW will erst Ende des Jahrzehnts die ersten Serienautos mit Feststoffzellenbatterien auf den Markt bringen.
Natrium-Ionen-Akkus
Der chinesische Akkuzellenproduzent CATL (Contemporary Amperex Technology) hat 2022 eine Natrium-Ionen-Batterie angekündigt. Der Akku kommt ohne Lithium, Nickel und Kobalt aus und soll 2023 auf den Markt kommen. Damit ist er um einiges nachhaltiger als Li-Ionen-Akkus. Ausserdem soll er schneller aufladbar sein und weniger unter Minusgraden leiden. Gemäss der Industrie ist dies die zurzeit spannendste Neuentwicklung, da man leistungsfähige Akkus auf einer nachhaltigen Materialbasis bauen kann. Man erwartet eine grosse Entlastung für die angespannte Rohstoffsituation u. a. im Lithium-Markt.
Zurzeit sind die Natrium-Ionen-Akkus aufgrund ihrer vergleichsweise tiefen Energiedichte noch zu gross für Personenwagen. Der chinesische Marktführer CATL forscht jedoch mit Hochdruck daran und hat 2022 ein Patent eingereicht, das die Energiedichte der Natrium-Ionen-Batterie um 25 % auf 200 Wh/kg erhöht. CATL beliefert u. a. Tesla, Mercedes und den VW-Konzern.
