E-Autos: effiziente Akkus lassen noch lange auf sich warten

Batterien in Elektrofahrzeugen unterscheiden sich technisch gesehen kaum von den Stromspeichern, die man aus Notebooks oder Handys kennt. Die Lithium-Ionen-Akkus, die in diesen Geräten zum Einsatz kommen, sind auch für Fahrzeugbauer die erste Wahl: "Sie bieten für ihre Größe die höchste Energiedichte und sind daher momentan konkurrenzlos", sagt Helmut Schmaler vom ADAC Technik Zentrum. Die Energiedichte, die in Wattstunden pro Kilogramm gemessen wird, ist vergleichbar mit dem Tankvolumen von Fahrzeugen mit Verbrennungsantrieb: Von ihr hängt letztlich die Reichweite ab.

Derzeit höchstens 160 Kilometer Reichweite

In E-Autos werden in der Regel Akkus mit einer flachen, rechteckigen Prismenform in mehreren Blöcken verbaut, die durch ein zusätzliches Gehäuse geschützt sind. "Die aus Laptops bekannte runde Bauform nimmt zu viel Platz weg und bringt auch thermische Probleme mit sich", erklärt Werner Tillmetz vom E-Lab in Ulm. Das Labor gehört zum Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstofftechnologie Baden-Württemberg (ZSW), wo unter anderem die Alltagstauglichkeit von Akkus geprüft wird. Der Vorteil rechteckiger Batterien liege nicht zuletzt in ihrer großen Oberfläche, über die Wärme abströmen kann.

Als großes Problem von E-Autos wird oft die mangelnde Reichweite empfunden, die sich aus der zwar guten, aber eben doch begrenzten Energiedichte der Batterien ergibt. Im Schnitt schaffen die E-Mobile am Markt 120 bis 160 Kilometer - unter Optimalbedingungen. Denn Kälte und Verbraucher wie Heizung, Radio und Licht können die Reichweite stark reduzieren. Der Aktionsradius lässt sich unter anderem aus Platzgründen nicht so einfach erweitern, denn allein für Kleinwagen werden schon rund 150 Lithium-Ionen-Zellen benötigt, für die unterm Blech Freiräume geschaffen werden müssen. Mit einem Akkupaket in der Größe einer Starterbatterie wären bestenfalls 40 Kilometer möglich.

Die Technik steht am Anfang

"Würden Platz und Kosten keine Rollen spielen, können wir natürlich so viele Akkus in ein Auto bauen, dass es 600 Kilometer weit oder mehr fährt", sagt Tillmetz. Das US-Modell Tesla Roadster Sport 2.5 ist so ein Fall: Mehr als 6800 flüssigkeitsgekühlte Laptop-Akkus ermöglichen laut Hersteller bis zu 340 Kilometer Reichweite. Die Nachteile: Der Sportwagen kostet um die 120 000 Euro und bietet neben zwei Sitzen nur noch Platz für eine kleine Reisetasche.

"Die Technik steht am Anfang, und Wunder dürfen wir leider nicht erwarten", dämpft Schmaler die Hoffnungen, dass schon bald bezahlbare E-Autos mit deutlich vergrößerter Reichweite erhältlich sein werden. Denn eine echte Alternative zur Lithium-Ionen-Akkutechnik gibt es bislang nicht. "Lithium ist das kleinste Atom, das sich zum Wandern zwischen den Elektroden nutzen lässt", sagt Andreas Richter vom Dekra-Kompetenzzentrum für Elektromobilität das Grundprinzip dieses Akku-Typs. Beim Hin- und Herwandern wird elektrische Energie in einer Zwischenschicht zwischengelagert.

Energiedichte muss höher werden

"Die Herausforderung beim Akku besteht darin, dass die Energie trotz etlicher Be- und Entladezyklen immer gleichmäßig abrufbar bleibt", erläutert Richter. Dies sei nur durch ein aufwendiges und teures Batteriemanagement erreichbar.

Die Energiedichte von Batterien könnte sich in Zukunft durch neue chemische Zusammensetzungen im Innern der Zellen erhöhen lassen: "Mit Lithium-Schwefel-Batterien wären Reichweiten bis 300 Kilometer möglich, mit Lithium-Luft bis 600 Kilometer", schätzt Martin Wietschel vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI). "Allerdings rechnen die meisten Experten nicht vor 2025 mit einer kommerziellen Verfügbarkeit." Eine weitere Alternative sei die Redox-Flow-Batterie, die zwar eine geringere Energiedichte aufweise, aber dank flüssigem Elektrolyt in wenigen Minuten aufgeladen werden könne.

Leistungsfähige Akkus bleiben Zukunftsmusik

Ein weiteres Problem für die Autoindustrie ist die begrenzte elektrische Spannung von Lithium-Ionen-Akkus. "Wir haben derzeit pro Akkuzelle eine Spannung von 3,7 Volt, brauchen aber 120 Volt", sagt Schmaler. Ansonsten setzt sich ein Fahrzeug nicht in Bewegung - höchstens ein Modellauto. Um die Spannung zu erhöhen, werden Akkus in E-Autos zusammengeschaltet.

Weil leistungsfähigere Akkus noch Zukunftsmusik sind, wird im Ulmer E-Lab vor allem an der Alltagstauglichkeit der bestehenden Technik gearbeitet. "Kaltstart, Kosten und Lebensdauer - das sind die drei vorrangigen Themen", sagt Tillmetz. Nur wenn es dort Verbesserungen gebe, sei der Weg für die Massenproduktion frei - und damit für geringere Herstellungskosten. Denn die aktuell rund 10 000 Euro für das Akkumodul eines Kleinwagens schrecken neben der begrenzten Reichweite vom Kauf eines Elektroautos ab.