Mercedes-Benz ist eine Entwicklungspartnerschaft mit dem kanadischen Batteriematerial-Spezialisten Hydro-Québec eingegangen. Der Fokus liegt auf zukünftigen Technologiesprüngen von Elektroautos mit Hilfe von Festkörper-Batterien. In einem Interview haben Andreas Hintennach, Senior Manager Battery Research bei Mercedes, und Karim Zaghib von Hydro-Québec über ihre Erwartungen für kommende Akkus gesprochen.
Das neue Elektro-SUV EQC und die nächsten geplanten Voll-Stromer von Mercedes fahren noch mit den heute üblichen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyt. Für mehr Reichweite, Haltbarkeit und Sicherheit treiben die Schwaben wie andere Hersteller und Unternehmen neue Technologien voran. Dazu gehören Energiespeicher mit festem Elektrolyt.
„Die Lithium-Ionen-Technologie ist derzeit die leistungsfähigste Batterietechnologie, die zur Verfügung steht, und sie verfügt noch über großes Zukunftspotenzial. Trotzdem arbeiten wir fortlaufend an Optimierungen und Alternativen, die über die Möglichkeiten von Li-Ionen-Batterien hinausgehen“, erklärte Hintennach. Die Suche „nach dem Heiligen Gral“ bedeute weltweite und branchenübergreifende Teamarbeit.
Der Schwerpunkt von Zaghib und seinem Team bei Hydro-Québec liegt auf fortschrittlichen Lithium-Ionen- und Festkörper-Batterien. „Festkörper-Lithium-Metall-Batterien gelten als nächster wichtiger technischer Meilenstein. Sie haben eine sehr hohe Energiedichte, sie sind langlebig, sehr leicht und darüber hinaus eine sichere Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien“ sagte er. Mit ihren neuesten Entwicklungen hätten die kanadischen Forscher „sehr vielversprechende Ergebnisse“ erzielt.
Neben dem Elektrolyt bestehen bei Festkörper-Batterien auch die Elektroden aus festem Material. Der Elektrolyt hat die Aufgabe, Ionen zwischen den Elektroden hin und her zu transportieren, während die Batterie sich lädt und entlädt. Zaghib: „Festelektrolyte eröffnen die Möglichkeit, neue Anodenarten zu verwenden, wie etwa Lithium-Metall-Anoden, die eine höhere Energiedichte als die heutigen Graphitanoden bei gleichzeitig optimierter Sicherheit bieten.“ Es handele sich um ein sehr spannendes Forschungsgebiet, das noch viele Möglichkeiten bereithalte.
Energiedichte noch nicht ausreichend
Angesprochen auf die Marktreife meinte Hintennach: „Aufgrund des besonderen Fahrprofils von Pkw und Lkw ist die Energiedichte der Technologie momentan noch nicht wirklich ausreichend.“ Außerdem dauere das Laden von Festkörperzellen derzeit zu lange. „Mit anderen Worten, bislang bietet sie keinerlei Vorteile gegenüber der Lithium-Ionen-Technologie. Es ist noch einiges an Forschungsarbeit zu leisten“, so der Mercedes-Manager.
Es gehe nun um die Suche nach einer höheren Energiedichte und nach Wegen, dorthin zu gelangen. „Bei Bussen sollte es möglich sein, bereits in den frühen 2020er Jahren Anwendungsfälle zu entwickeln, weil ihr Fahrprofil sehr gut vorhersehbar ist und Platz keine so große Rolle spielt wie bei einem Pkw“, erkläuterte Hintennach. Lkw würden die größte Herausforderung darstellen, da die elektrische und volumetrische Dichte sehr hoch sein müssten und auch Schnellladen wichtig sei. Nahezu alle Festkörper-Ionenleiter würden bislang in dieser Hinsicht scheitern.
„Bevor Sie in der Lage sind, eine neue Technologie in einem Fahrzeug anzuwenden, ist ein großer Evaluierungs-, Prüf-, Validierungs- und Zertifizierungsaufwand erforderlich“, unterstrich Hintennach. Die Umstellung bestehender Lithium-Ionen- auf Festkörper-Batterien werde nicht über Nacht erfolgen, räumte Zaghib ein. Trotz der ersten Generation von beispielsweise Lithium-Metall-Polymer-Festkörper-Batterien mit moderater Energiedichte seien weitere Festkörper-Lösungen noch nicht produktionsreif. Sie seien es angesichts ihrer Vorteile aber auf jeden Fall wert, weiter verfolgt zu werden. „Was wir definitiv sagen können ist, dass die Festkörperbatterie-Technologie in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt hat“, sagte Zaghib.
Festkörper-Batterien sind laut Hintennach nicht der Nachfolger heutiger Lithium-Ionen-Akkus. „Sie sind ein Begleiter – kein Nachfolger, und zwar aus einem ganz einfachen Grund. Die Energiedichte ist in Festkörperbatterien sehr hoch, nicht aber die Leistungsdichte“, so der Mercedes-Manager. „Bei Anwendungen, wo die Batterie etwas größer ausfällt – also beginnend bei mittelgroßen Pkw – reicht die Leistung nicht aus.“ Wenn man eine große Leistung in einem kleinen Paket benötige, wie etwa einem Sportwagen, sei es vermutlich die falsche Lösung. Bei der aktuellen Lithium-Ionen-Technologie gebe es zudem noch viel Luft nach oben. „Wir werden in der Zukunft mehrere Technologien sehen. Es kommt ganz auf die Anwendung an“, glaubt Hintennach.
Klaus D. Beccu, Dr.-Ing. meint
Nicht nur die zunehmend als allein zukunftsfähig erkannte Wasserstoff-Tecnnik, sondern auch die weiter-entwickelte NiMH -Batterietechnik (200 Wh/kg anvisiert) wird die Bemühungen, eine Feststoff-Batterie mit ausreichender Leistungsfähigkeit herzustellen ins Abseits führen – schon wenn man die anvisierten Entwicklungszeiten von über 10 Jahren vernimmt. – Auch geht es darum, der Lithium-Problematik nicht weiter Raum zu geben, die mit ihren Menschen-verachtenden Methoden des Trinkwasser-Entzugs (für die Ausschwemmung der Li-Salze benötigt) in Bolivien. Chile u. Argentinien den Präsidenten von Bolivien jüngst veranlasst hat, den Export von Li-Salzen zu blockieren. Als der deutsche Wirtschaftsminister Peter Altmeier dies vernahm bei seinem Besuch in B. zwecks eines Vertragsabschlusses über Li-Lieferungen , schaute er ziemlich verduzt und ungläubig drein.
StugiLife meint
Schnee von gestern. Präsident Morales wurde gestürzt, die neue Bolivianische Regierung hat die Verhandlungen über den Abbau und die Ausfuhr von Lihtium wieder aufgenommen.
nilsbär meint
NiMH-Batterien? Warum nicht gleich Blei-Säurebatterien in einem Anhänger nachziehen? Erspart man sich auch die (von Ihnen hochgespielte) Lithium-Problematik:-)
Dominik meint
Es fehlt der Hinweis auf Satire. Allein der erste Satz mit Wasserstoff ist zum Brüllen. NiMh Akkus? Falls Sie wirklich Ing sind sag ich als Chemiker einfach mal Schuster bleib bei deinen Leisten. Keine Frage Toyota hatte erstaunliches mit ihren nimh hybrid Akkus geleistet vor 10 Jahren. Ich bastel alle möglichen Geräte von NiCd und Nimh auf LiIon um und das hat einfach seinen Grund, die extreme Haltbarkeit von LiIon. Die auf Ladezyklen optimierten Nimh Akkus haben dafür ja beschissene Kapazitäten.
Das beste kommt zum Schluss mit dem bösen Wasserverbrauch der Li Gewinnung. Als Ing wäre es doch ein leichtes zu googeln wer der größte Li Produzent ist – kleiner Tipp nicht die Länder in Südamerika. Genau das gleiche mit Anwendungen. Da sind Li Akkus auch nicht auf Platz eins (werden sie wohl bald sein). Trotzdem geht auch in Zukunft 2/3 des abgebauten Li in andere Anwendungen. Zuletzt gäbe es ja die Möglichkeit aus dem Salzwasser (welches komplett unbrauchbar ist) Süßwasser zu gewinnen, allerdings ist das offen verdunsten lassen natürlich günstiger (auch energetisch). Auch das entnommene Salzwasser mit Meerwasser aufzufüllen wäre möglich. Aber was solls hauptsache ihr argentinisches Rindersteak schmeckt!
Peter W meint
Durch Wiederholung der NIMH-Phantasien wird der NIMH-Akku nicht leistungsfähiger. Die anvisierten 200 Wh sind noch nicht erreicht, beim LiIonenakku schon. Von der Lade- und Entladeleistung brauchen wir gar nicht reden.
Peter W meint
Um es mal klar zu stellen. Mercedes entwickelt da gar nichts. Die haben Jemandem Geld gegeben damit er seine angefangene Arbeit weiter machen kann.
Das Sternle kommt dann drauf, wenn’s geklappt hat. Und wenn’s nicht geklappt hat kommt der BMW Propeller drauf. Bei Mercedes Weggeworfen ????
StugiLife meint
Eine gute Idee alleine reicht eben nicht, man braucht auch Geld um diese Idee umzusetzen. Das Risiko trägt der Geldgeber, in diesem Fall ist es Daimler.
stefan meint
Daimler? Ist das nicht die Bude, die behauptet, niemand könnte die Physik überlisten und einen E-LKW bieten, der über 100km fährt? Heisser Tip nach Stuttgart: still sitzen bleiben, nix sagen, warten, bis andere wiedermal vorzeigen wie’s geht, dann schnell schnell copypaste, hübsche Spaltmasse machen, Millarden ins Marketing buttern, Sternderl druff und dick dastehen; so wie immer, seids ja gut gefahren damit bis dato, wenns sonst scho nix zammbringen
nilsbär meint
Klingt ernüchternd. Allerdings ist Mercedes wohl nicht führend in der Forschung an Festkörperbatterien. Ich traue da z.B. Toyota/Panasonic deutlich mehr zu.
Und sollte die Leistungsdichte wirklich ein grundsätzliches Problem bleiben (was ich nicht glaube), wird es auch dafür Lösungen geben. Etwa die Kombination mit einem Kondensator für kurzfristige Leistungsspitzen beim Beschleunigen. Und wenn die Batterie nur Dauerleistung für 130 km/h Autobahntempo liefert anstatt für 250 km/h, werden das nicht alle als Nachteil ansehen.
alupo meint
„Neben dem Elektrolyt bestehen bei Festkörper-Batterien auch die Elektroden aus festem Material.“
Echt jetzt?
Ich bin gleich am verzweifeln über diesen geistigen Output.
Bei jeder LiIonenzelle, egal von welchem Hersteller, bestehen die Elektroden aus Metall, m.W. immer eine aus Kupfer und die andere aus Aluminium.
Und in welchem Agregatzustand liegen diese Metalle bei den Zelltemperaturen vor? Richtig, in fester Form. Bevor diese Metalle schmelzen, also flüssig werden, wäre die Zelle schon locker 10 Mal zerstört.
Und irgendwie verstehe ich noch nicht, warum das Lithiummetall in einer Feststoffzelle nicht brennen sollte?
Jeder der vor Jahren in der Schule Chemieunterricht hatte wird sich an den einen Versuch des Lehrers erinnern als der ein sehr kleines Stück Lithiummetall mit einer Zange vorsichtig (mit Schutzbrille!!!) aus dem Wasser nahm. In Sekunden entzündete sich das Lithium fast explosionsartig indem es heftigst mit dem Dauerstoff der Luft reagierte. Daher, niemals eine Feststoffzelle öffnen und Luft an das Lithiummetall lassen. Das wird echt heftig.
Im Übrigen glaube ich in den nächsten 5-10 Jahren nicht an die Feststoffzelle. Aber ich werde den mir bekannten Zellchemikalienforscher hoffentlich im April sehen und dazu befragen. Letztes Jahr gab es dabei nur ein „verächtliches Lächeln“, so in Richtung „träum weiter“ (neben einigen hard facts zu den immensen Problemen). Mal sehen ob sich etwas getan hat.
Das einzige was m.M.n. hilft wäre, wenn man bei aktuellen Zellen das Graphit auf der Anode durch noch billigeres Silizium ersetzen könnte. Das würde dann auch technisch reichen um auch Passagierflugzeuge elektrisch anzutreiben.
Der Battery Day von Tesla wird spannend.
Dominik meint
Also mit Elektroden ist nicht das leitfähige Trägermaterial gemeint?sondern die Li (CoMnAlNi)Oxid Mischung (in Klammer variabel in der Zusammensetzung) und das Graphit, beides natürlich auch Feststoffe.
An die lithium Anode glaub ich nicht, weil das eine chemische Reaktion bei jedem Entladen/Aufladen bedeutet mit entsprechender Volumenänderung – beides schlecht. Die Volumenänderung ist im übrigen auch der Hauptnachteil bei SiOxid Anode, ka wann die Nanotechnologie das endlich hinbekommt – Durchbruchmeldungen gibt’s ja alle paar Monate….im übrigen schon zu Zeiten meines Chemie Studiums vor 15 Jahren.
Li Anode gibt es im übrigen in Li-Metall-Primärzellen in den 10-Jahresbatterien zb in in Rauchmeldern. Komischerweise ist das Li darin, fein verteilt in einer Grafit Masse…so viel zur besseren Energiedichte dann.
Lithium aus Wasser geholt im Chemieunterricht? – das war kein Wasser sondern Parafinöl als Schutzflüssigkeit. Schauen Sie sich da einfach mal Videos von Li Na & K in Wasser bei YouTube an. Li reagiert am schwächsten Kalium am heftigsten sodass der entstehende Wasserstoff entzündet. Mit Natrium spiel ich im Labor mit Schülergruppen immer Papierschiffe versenken…. . Keines dieser Metalle verbrennt einfach sontan an Luft sondern reagiert mit Wasser unter Wasserstoff Entwicklung und Bildung der entsprechenden Lauge. Weißer Phosphor ist so ziemlich das einzige Element welches sich spontan an Luft selbst entzündet. Chemische Verbindungen gibt’s da noch mehr wie Silan, Phosphor usw.
Zusammenfassung aus 15 Jahren Wunderbatterie Meldungen: „wir brauchen noch 5-10 Jahre bis zur Serienreife.“ …also egal wann man den Fachmann der Elektrochemie fragt.
Egon Meier meint
Eine sehr ausgewogene und gründliche Darstellung. Ich hoffe, dass jeden Feststoff-Akku-Fan klar geworden ist, dass seien Technik eine Hoffnung ist aber keinerlei Gewähr auf Realisierung hat. Es kann gut sein, dass sich alle Forschungsarbeiten als Sackgassen herausstellen.
Es könnte enden wie die Brennestoffzellentechnologie: Forschungen seit Jahrzehnten aber keinerlei Ansätze für die Lösung der grundsätzlichen Probleme im Bereich Mobilität.
Reinhold meint
Woher willst du wissen, dass es sich um eine ausgewogene Darstellung handelt?
Nur weil es in dein Weltbild passt?
Woher will MB wissen wie weit andere Forscher sind?
Forschungsergebnisse müssen oft geheim gehalten werden, um seinen Vorsprung nicht zu leichtfertig anderen zu überlassen.
Alex meint
Wer sich für dieses Thema interessiert, den lege ich die aktuelle Folge 30 vom Moove Podcast ans Herz, dort wird knapp 1 Stunde einer der Ingenieure hinter dem Projekt bei Mercedes interviewt
https://www.auto-motor-und-sport.de/podcast/podcast-moove-kompostierbare-batterie-zellforschung-zukunft/
Swissli meint
Ziemlich ernüchternd.
Da hat die Li-on Zelle kurz- und mittelfristig wirklich viel mehr Potential.
Bin auf den Tesla Battery Day im April gespannt, wie Tesla die Li-on Zelle weiterentwickelt.