Gastbeitrag: Die rasante Evolution der Batterien

Bislang stand man bei herkömmlichen Graphit-Anoden – also dem Minuspol einer Batterie –vor dem immer gleichen Dilemma: Sind sie dünnschichtig aufgebaut, ist die Energiekapazität der Zelle begrenzt. Dickschichtige Graphit-Anoden dagegen können mehr Energie in Form von Lithium-Ionen aufnehmen, erschweren aber schnelles Laden, da die Ionen in der Anode weiterwandern müssen.

An diesem Punkt kommt das Silizium ins Spiel. Dieses Material ist billig, im Übermaß auf der Erde vorhanden und kann die Kristallstruktur der Anode so verändern, dass sich die Gefahr des leistungssenkenden Lithium-Platings deutlich reduziert. Erwartet wird der Durchbruch dieser Technologie in den nächsten drei Jahren. Dann könnten E-Fahrzeuge innerhalb von fünf bis zehn Minuten auf 75 bis 80 % Ladekapazität gebracht werden, ohne auf eine hohe Speicherkapazität der Zellen verzichten zu müssen. Erreichbar sind nach derzeitigem Stand Energiedichten von bis zu 350 Wh/kg. Selbst der Fahrzeugbetrieb bei Temperaturen von –20˚C und mehr soll ebenso möglich sein wie eine Vollzyklenzahl von mindestens 1.000.

Graphen statt Graphit

Die Lösung für die Schnellladung der Zukunft könnte jedoch aus einer ganz anderen Richtung kommen. Graphen ähnelt in seiner atomaren Beschaffenheit stark dem erwähnten Graphit, das bislang in Anoden eingesetzt wird. Jedoch gibt es einen bedeutenden Unterschied, denn Graphen ist, anders als Graphit und jedes andere bislang verfügbare Material, zweidimensional. Das bedeutet, dass das Material nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoff besteht, also eine Dicke von nur einem Atom aufweist. Nur durch die wabenförmige Anordnung der Atome ist Graphen außergewöhnlich stabil. Die Festigkeit des neuen Materials ist mit der von Stahl zu vergleichen, während es jedoch biegsam wie Gummi ist. Daneben besitzt es eine hohe Wärme- und Stromleitfähigkeit, eine enorme Oberfläche und viele weitere positiven Eigenschaften.

Graphen lassen sich zudem mit Kieselsäure zu mikroskopisch kleinen Graphenbällen mischen. Als Anodenmaterial und gleichzeitig dünne Schicht auf der Kathode helfen die Bälle, den Ladeprozess auf zwölf Minuten zu reduzieren und die Kapazität des Akkus um 45 % im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus zu steigern.

Graphen in Superkondensatoren

Experimentiert wird auch mit dem Grapheneinsatz bei Superkondensatoren. Ein solches Supercap besteht lediglich aus zwei Lagen Graphen, die durch eine Elektrolytschicht voneinander getrennt sind. Hierbei handelt es sich also um einen dünnen Film, der leicht aufgebracht werden kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich die beiden Graphenlagen berühren und zum herkömmlichen Graphit verbinden. Die Vorteile beständen in einer für Superkondensatoren relativ hohen Energiedichte und der supercaps-typischen schnellen Leistungsaufnahme und -abgabe.

Zukunft Feststoffbatterien

Hohes Potenzial für die Zukunft besitzen neben Lithium-Metall- und Lithium-Schwefel-Akkus auch Feststoffbatterien. Deren bisheriger Schwachpunkt, nämlich die geringe Zyklenfestigkeit, soll künftig durch einen eben festen, keramischen Separator beseitigt werden. Als Ergebnis soll sich eine solche Batterie in 15 Minuten auf 80 % der Kapazität schnellladen lassen. Nach 800 Vollzyklen oder mehreren hunderttausend zurückgelegten Kilometern kann immer noch eine verbleibende Kapazität von mehr als 80 % erwartet werden. Außerdem soll der Feststoffakku extrem brandsicher sein und auf einem breiten Temperaturband ohne großen Leistungsabfall funktionieren – auch bei Kälte von bis zu –30°C. Der nächste Schritt besteht darin, einschichtige Zellen in mehrschichtige umzuwandeln und diese dann für die Massenproduktion vorzubereiten.