Jülich: Jülicher Forscher entwickeln neue Batterie für Elektroautos

Jülich : Jülicher Forscher entwickeln neue Batterie für Elektroautos

Wer an der Tankstelle Benzin oder Diesel zapft, der braucht meist nur wenige Minuten, bis er mit dem Auto wieder auf der Straße fährt. Wer die Batterie eines Elektroautos auflädt, der muss mehr Zeit einplanen, denn der „Tankvorgang“ dauert häufig mehr als eine Stunde — noch. Denn Forscher des Forschungszentrums Jülich (FZJ) haben eine Batterie entwickelt, die sich dreimal schneller aufladen lässt als die bisherigen Energiespeicher.

„Es ist genau die Zeit, in der man gemütlich einen Kaffee trinken kann“, erklärt Professor Rüdiger Eichel lachend. Er ist Leiter des Instituts für Grundlagen der Elektrochemie, einem Bereich des Instituts für Energie- und Klimaforschung des FZJ. Im Rahmen der Doktorarbeit des chinesischen Stipendiaten Shicheng Yu haben die Forscher ein neues Konzept für eine Batterie entwickelt: Diese besteht hierbei nicht wie üblich zum Teil aus flüssigen Bestandteilen, sondern komplett aus Festkörpern. „Die Batterie kann daher nicht auslaufen, explodieren oder anfangen, zu brennen“, sagt Eichel.

Normalerweise besitzen Lithium-Ionen-Batterien einen flüssigen Elektrolyten. Die Elektroden — vereinfacht: die Pole der Batterie — funktionieren bei herkömmlichen Batterien wie ein Schwamm, der die Elektrolytflüssigkeit „aufsaugt“. So entstehen viele Kontakte, die den Strom gut übertragen. Bei der neu entwickelten Batterie wird nun keine Flüssigkeit mehr als Elektrolyt eingesetzt, sondern ein Festkörper aus Phosphatverbindungen.

Dieser feste Körper, der in kleinen Körnern auftritt, kann nun nicht mehr von einem „Elektroden-Schwamm“ aufgesaugt werden. Als Lösung dieses Problems haben die Forscher einen anderen Ansatz gewählt, wie Eichel erklärt: „Wenn man versucht, Materialien zu verbessern, guckt man sich diese meist im Einzelnen an. Wir haben jetzt über den Tellerrand hinaus geguckt und das Zusammenspiel der Materialen optimiert.“

Das heißt, gleichzeitig mit der Entwicklung des Elektrolyten auch die Elektroden verändert und auf der gleichen Materialklasse aufgebaut: einem Phosphat. „Weil jetzt alle Bestandteile der Batterie aus dem gleichen, festen Material bestehen, ist ein ausreichend guter Stromfluss möglich.“

Um auf die Elektroautos zurückzukommen: Dass bisher wenige auf den Straßen fahren, liegt vor allem am Preis, der Reichweite und der Ladedauer. In Bezug auf die ersten beiden Punkte könnte die neue Batterie Abhilfe schaffen: Da die verwendeten Lithium-Phosphat Materialien recht häufig vorkommen (und somit günstiger sind), könne auf das seltene, teure Kobalt verzichtet werden. Kobalt wird bisher in Akkus verarbeitet und ist aufgrund der Arbeitsbedingungen beim Abbau sehr umstritten.

Ladezeit noch nicht beim Richtwert

Die Energiedichte der Festkörperbatterie sei sehr hoch, so dass sich die Reichweite der Autos verbessern könne, erklärt der 48-Jährige. Auch das Recyceln von festen Stoffen ist einfacher und günstiger, da die Bestandteile besser zu trennen sind, als dies bei flüssigen Komponenten einer Batterie möglich wäre.

An der Lebensdauer arbeiten die Forscher noch. Bisher hält die Batterie mehr als 500 Auf- und Entladungen stand.“ Das ist schon eine gute Stabilität, aber im nächsten Schritt wollen wir testen, ob sie auch 1000 Zyklen, dem Richtwert in der Elektromobilität, aushält“, erklärt Eichel.

Batterieproduktion in Deutschland

Bis die Batterie aber tatsächlich in E-Autos verbaut wird, kann es noch bis zu zehn Jahren dauern. Bisher hat die Batterie eine Größe einer kleinen Knopfzelle und müsse erst noch hochskaliert werden. Das sei ein weiteres großes Forschungsfeld.

„Aber natürlich scharren im Bereich der Elektromobilität schon alle mit den Hufen. Ich denke, wir reden hier von der übernächsten Generation der Autobatterien“, sagt Eichel, der auch schon Kontakt zu den Verantwortlichen bei e.Go und Streetscooter hat. „Das ist gerade für Deutschland interessant. Hier gibt es keine eigene Batterieproduktion. Asien ist uns da bisher weit voraus. Aber mit dem neuen Konzept der Festkörperbatterien laufen wir nicht hinterher.“

Nicht nur im großen Feld der Elektromobilität könnte die Festkörperbatterie gefragt sein, sondern auch in der Medizin. Bei Schrittmachern wäre die (Lebens-)Gefahr, dass ein flüssiger Elektrolyt austritt, gebannt. Die mit einer Operation verbundene Erneuerung des Implantats könnte hinausgezögert werden. Auch der Haushalt wäre ein Einsatzgebiet der Batterie — Stichwort Smarthomes. „In Zukunft wird es vermutlich so sein, dass wir zu Hause viele kleine Geräte miteinander vernetzen. Dazu braucht es natürlich einen autonomen Energiespeicher, wozu so eine Festkörperbatterie schon recht praktisch ist“, erklärt Eichel.

Ob in Zukunft die Elektroautos, die implantierten Schrittmacher und das eigene Zuhause mit der Jülicher Batterie ausgestattet sein werden, zeigt sich wohl erst in rund zehn Jahren. Die Batterie sowie die Herstellung sind bereits patentiert, der Weg geebnet.