Immer wieder liest und hört man im Zuge von technologischen Innovationen von der mangelhaften und somit einschränkenden Akkuleistung, getreu dem Motto: „The battery is the limit.“ Daher wird an zahlreichen wissenschaftlichen und unternehmerischen Fronten nach neuen Optionen geforscht, die elektrisch betriebenen Devices leistungsstärker, die Ladezyklen kürzer und den Recyclingprozess umweltfreundlicher zu gestalten. Große Hoffnungen setzt man momentan in die Feststoffbatterie – wir haben Experten acht Fragen gestellt, um zu erfahren, was dahintersteckt.
1. Was ist eigentlich eine Feststoffbatterie?
Bei der Feststoffbatterie, die auch als Feststoffakkumulator oder Festkörperbatterie bezeichnet wird, bestehen sowohl Elektrode als auch Elektrolyt aus einem festem Material. Im direkten Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien sollen sie mehr Energie in kürzerer Zeit bei gleicher Größe speichern und dabei weniger kosten. Ein Wunderding, das lohnt, weitere Forschungsleistungen zu investieren. Besonders hinsichtlich Elektromobilität könnten sie einiges leisten. Momentan werden die meisten E-Fortbewegungsmittel per Lithium-Ionen-Akku betrieben – siehe E-Bikes und jüngst E-Scooter, die vermehrt auf Gehwegen und Fahrradstreifen deutscher Großstädte zu finden sind. Auf dem Automobilmarkt können sich E-Fahrzeuge allerdings nicht so recht durchsetzen. Die hohen Anschaffungspreise sowie das noch immer sporadische Ladenetz lassen potenzielle Neuwagenkäufer zögern. Feststoffbatterien versprechen nun, diese Probleme zu beheben.
„Festkörper-Akkus könnten den Markt der Elektrofahrzeuge revolutionieren. Im Festkörper-Akku strömen die Lithium-Ionen nicht mehr durch eine Flüssigkeit (Elektrolyt), sondern sind durch eine dünne Schicht eines Feststoffes, meist Glas-Keramik, verbunden. Dieser Umstand spart Platz und damit auch Gewicht. Festkörper-Akkus verfügen über eine deutlich höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus, was größere Reichweiten und eine schnellere Ladung zu Folge hat.“
Außerdem lassen sie sich aufgrund ihrer festen Struktur sehr gut miniaturisieren, z. B. auf dünne Scheiben, was neben der E-Mobilität auch für den Smartphone- und Gadget-Markt interessant sein dürfte.
2. Welche Vorteile hat die Feststoffbatterie gegenüber der Lithium-Ionen-Batterie?
„Die Festkörper-Batterietechnologie hat das Potenzial, in Zukunft ein Batteriesystem anzubieten, das im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batteriezellen eine höhere elektrische Reichweite mit erhöhter Sicherheit und Leistung bietet. Dies zeigt sich dadurch, dass derartige Batteriezellen ohne brennbare flüssige Elektrolyte auskommen. Sie bringen damit eine deutlich verbesserte Betriebssicherheit, aber auch Vorteile bei Baugröße und Gewicht, weil eine weniger aufwendige Sicherheitskapselung notwendig ist. Darüber hinaus versprechen Festkörperbatterien durch den Einsatz von metallischem Anodenmaterial (Lithium- anstatt der heute üblichen Graphit-Anoden) sowohl eine höhere Energiedichte als auch deutlich kürzere Ladezeiten.“
3. Welche Entwicklungen sind bahnbrechend?
„Elektroauto-Akkus mit schier unendlicher Reichweite und Schnellladefähigkeit im Minutenbereich für die volle Kapazität gelten als heiliger Gral im Bereich der Elektromobilität. Mit ein Grund dafür, dass sich zig Unternehmen und Start-ups damit beschäftigen. Hier wird es künftig immer schneller Fortschritte zu verzeichnen geben. Allerdings muss auch darauf geachtet werden, dass die angedachten Lösungen nicht nur im Labor funktionieren, sondern auch im Alltag unter normalen Bedingungen.
Derzeit ist allerdings nicht sichergestellt, ob und vor allem wie die Festkörperbatterie, in verschiedensten möglichen Ausprägungen, am effizientesten gefertigt werden kann. Ebenfalls ist noch nicht der Nachweis erbracht, dass ein stabiler Lade- und Entladezyklus bei Raumtemperatur auf Dauer möglich ist. Von den fehlenden Langzeiterfahrungen mit Festkörperbatterien ganz zu schweigen.“
4. Wie weit sind deutsche Unternehmen hinsichtlich Feststoffbatterie?
„Die europäische Auto-Industrie hat die eigenständige Batterieentwicklung für Elektrofahrzeuge zum Großteil verschlafen. Volkswagen ist inzwischen mit 100 Millionen US-Dollar bei dem Batterieentwickler QuantumScape eingestiegen, um in den nächsten Jahren eine kleine Produktionsstätte für Feststoffbatterien zu bauen. BMW hat sich währenddessen mit Toyota zusammengetan, die über 200 hauseigene Ingenieure mit der Entwicklung von Feststoffbatterien abgestellt haben Allerdings kommen diese Allianzen etwas spät und die Produktion geschieht nicht auf deutschem Boden. Es sind Schritte in die Richtung, jedoch erscheint es unrealistisch, die amerikanische (z. B. Tesla und Fisker) und asiatische (Toyota, Nissan, Mitsubishi, Honda) Dominanz auf dem Gebiet der Batterieherstellung zu brechen – seien es Lithium-Ionen-Akkus oder Feststoffbatterien.“
5. Sind deutsche Unternehmen konkurrenzfähig bezüglich Akkuleistung?
„Die Akkuleistung und die damit verbundene Reichweite von Elektroautos ist das Kernelement der E-Mobilität und es hält einige Schwierigkeiten bereit. Die Technologie ist ausschlaggebend und sehr komplex und dieser Markt wird derzeit von den asiatischen Zulieferern beherrscht. Der deutsche Zulieferer Bosch lies beispielsweise verlauten, dass man keine eigene Batteriezellenproduktion aufbauen wird, da man gegen die etablierte asiatische Konkurrenz und deren Kostenvorteile keine Chance habe.
Im Endeffekt sind wir derzeitig noch nicht vollumfassend konkurrenzfähig, aber auf dem Weg dahin, jedoch ohne Chance, das Geschäft selbst zu beherrschen. Hier könnte es von Vorteil sein, dass Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Übergangslösung gelten und viele auf die Feststoffbatterie hoffen.“
6. Wie sieht die Akkuleistung im Detail aus?
„Die Akkuleistung ist über die letzten Jahre immens gewachsen. Lag der BMW i3 in seiner ersten Version noch mit einer realistischen Reichweite bei 120 Kilometern, ist er mittlerweile bei über 300 Kilometern angelangt. Der BMW i3 und der eGolf spielen in der untersten Liga mit Reichweiten zwischen 300-380 Kilometern mit. Der 2020 geplante BMW iX3, der VW ID.3 sowie der Mercedes EQC liegen bei 400-450 Kilometern. Wer längere Strecken mit über 500 Kilometern zurücklegen will, muss sich den Opel Ampera-e zulegen. Die deutschen Hersteller erreichen damit allmählich Tesla, deren Autos 560 und 600 Kilometer weit kommen. Trotzdem haben wir hier das Problem, dass wir von den asiatischen Zulieferern abhängig sind und keinen Zulieferer im Land haben, der eine eigene Batteriezellenproduktion aufgebaut hat.
Weiterhin ist es Tesla bereits gelungen, den Anteil des Metalls Kobalt in den Batterien erheblich zu verringern. Laut Insidern konnten die Kalifornier diesen auf 2,8 Prozent reduzieren. Die Batterien des Großserien-Elektroautos VW I.D. enthalten im Vergleich 12 bis 14 Prozent des Konfliktrohstoffs.“
7. Wie weit ist Deutschland in der Forschung?
„Besonders Tesla hatte am Anfang mit der Kritik von der Entflammung von Autos zu schaffen. Das feste Material der Feststoffbatterie reduziert die Brandgefahr auf ein Minimum, da keine brennbaren Lösungsmittel enthalten sind. Bosch möchte die neuen Akkus ab 2020 auf den Markt bringen und hat 2015 extra das patentreiche kalifornische Start-up Seeo Inc. gekauft. Die Batterien sollen günstiger in der Herstellung sein, um rund 75 Prozent kleiner und nur noch halb so schwer. Auch die Fraunhofer-Gesellschaft hat mit ihrer ICON (International Cooperation and Networking) Förderlinie bereits die Erforschung der Festkörperelektrolyten und die Herstellung und Charakterisierung der dünnen Schichten ins Auge gefasst. Den Lithium-Ionen Trend haben die deutschen Hersteller verschlafen, können aber mit der Entwicklung/Implementierung der Feststoffbatterie wieder aufholen und die E-Mobilität zu ihrer geforderten Nachhaltigkeit bringen.“
8. Wie steht es um die Marktreife von Feststoffakkus bei E-Autos?
„Die Marktreife lässt sich derzeit noch nicht festlegen. Manche Unternehmen gehen bereits von 2020/21 aus, der Großteil der Hersteller, wie BMW und Daimler beispielsweise, eher von 2025. Hier wird sich zeigen müssen, wie schnell die Technologie Fortschritte macht und in der Serie ankommt.“
„Das Jahr 2025 scheint das magische Jahr zu sein, wenn es um die prognostizierte Marktreife von Feststoffbatterien in Elektro- und Hybridfahrzeugen geht. Toyota will bis 2025 dieses Ziel erreichen. Ebenso hält es das Triumvirat um Renault, Nissan und Mitsubishi. 2025 ist auch hier das Ziel, um Feststoffbatterien in Serienfahrzeuge einzubauen. Die deutschen Unternehmen BMW, die sich mit Toyota zusammengetan haben, und Volkswagen, die 2018 in einen US-amerikanischen Batterieproduzenten investiert haben, sehen es bezüglich des Datums der Marktreife genauso. Der US-amerikanische Konzern Fisker hat es etwas eiliger und will bereits 2024 seine E-Autos mit Feststoffbatterien in Serienreife versehen. Ob es im Endeffekt dazu kommt, steht jedoch in den Sternen. Die Feststoffbatterie funktioniert bislang nur unter Laborbedingungen. Es fehlt nach wie vor an validen Ergebnissen für den Alltag.“
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