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Der Lithium-Ionen-Akku ist seit seiner Einführung im Jahr 1994 das Maß der Dinge beim Speichern von Strom. Die Industrie arbeitet seit Jahren daran, die kritischen Metalle Nickel, Kobalt und Mangan aus den Akkus zu verbannen – und jetzt geht es sogar dem Lithium selbst an den Kragen. Der Grundstoff für die neuen billigeren Akkus ist gewöhnliches Kochsalz. EFAHRER.com zeigt die Entwicklung.

Lithium ist das dritte Element (nach Wasserstoff und Helium) im Periodensystem. Wer sich an den Chemie-Unterricht in der Schule erinnert, der weiß, dass das bedeutet, dass Lithium ein besonders leichtes Element ist – für die Verwendung als Ladungsträger in Akkus ist das eine gute Voraussetzung: Die Lithium-Ionen, die sich in Akkus bewegen, haben eine Atommasse von sieben, jede Alternative zu Lithium ist wesentlich schwerer. 

Natrium zum Beispiel ist ebenfalls ein Alkalimetall, seine Atommasse liegt bei 23. Will man Natrium-Ionen als Ladungsträger in Akkus einsetzen, dann wird die Ladung eines Elektrons mit dieser Atommasse gespeichert. Die abstrakte Atommasse übersetzt sich in der Anwendung direkt in Kilogramm: Die Ladung von sieben Kilogramm Lithium-Ionen braucht mit Natrium als Basis 23 Kilogramm Ionen. Die Natrium-Ionen sind außerdem sehr viel größer als Lithium-Ionen, in die bisher gängigen Anoden aus Graphit können sie sich nicht einlagern.

Auf der Suche nach der Grundlage für den Akku der Zukunft könnte man hier wegen dieses großen Nachteils schon wieder aufhören. Natrium hat aber etliche weitere Eigenschaften, die den Masse-Malus aufwiegen könnten. Die Akku-Industrie arbeitet daran, alle wichtigen Rohstoffe für die Akkus mit Alternativen zu ersetzen – nach Kobalt und Mangan ist jetzt auch das Lithium dran. Wir fassen den aktuellen Stand und die Vorteile der neuen Materialien zusammen – und zeigen die Pläne der Akkuhersteller.

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Zunächst einmal muss man beim Vergleich der Materialien einordnen, wie groß der Gewichtsanteil von Lithium an einem Standard-Akku ist: In einem 100-kWh-Akku mit der üblichen Lithium-Kobalt-Mangan-Zellchemie von Tesla zum Beispiel stecken weniger als 15 Kilogramm Lithium. Die Gesamtmasse des Akkumoduls liegt bei rund 700 Kilogramm, das heißt, nur gut zwei Prozent fallen auf den namensgebenden Stoff, ein sehr großer Teil der Akku-Masse entfällt auf die Elektroden-Metalle Kobalt, Nickel und Mangan – alle drei sind teuer und tragen einen großen Teil zum Herstellungspreis der Akkus bei.

Dass Natrium für die gleiche Ladungsmenge mehr als die dreifache Masse mitbringt, ist für das Gesamtgewicht eines Akkumoduls und erst recht für ein komplettes Elektroauto deshalb nicht der alles entscheidende Faktor.

Eine sehr wesentliche Eigenschaft der Zellchemie von Akkus ist, welchen Widerstand die chemischen Komponenten dem Strom beim Laden und Entladen entgegensetzen. Bei Lithium-Akkus verursacht der Innenwiderstand in beiden Richtungen eine starke Erwärmung, wenn man an die Leistungsgrenzen geht. Der Lade-Entlade-Wirkungsgrad liegt bei gut 75 Prozent, das heißt, dass der Akku (und seine Leistungselektronik) ein Viertel der zugeführten Energie in Wärme umwandelt. Weil die optimale Leistung der Akkus zudem ein enges Temperaturfenster voraussetzt (zum Beispiel 15 bis 40 Grad), haben leistungsstarke Elektroautos eine aktive Temperierung, also gewissermaßen eine Klimaanlage für den Akku. Die Kühlwasser-Kanäle bedeuten zusätzlichen konstruktiven Aufwand, sie bringen Gewicht und kosten Geld.

Hier haben schon die Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP), die Tesla im Basismodell des Model 3 einsetzt, einen klaren Vorteil: Sie haben etwas niedrigere Innenwiderstände, heizen sich beim Laden also weniger auf als Kobalt-Mangan-basierte Batterien, gleichzeitig reagieren sie weniger empfindlich auf hohe Temperaturen. Sie brauchen deshalb deutlich weniger Kühlleistung und können damit ihren Nachteil bei der reinen Energiedichte (Kilowattstunden pro Kilogramm) zu einem großen Teil ausgleichen.

Kalte Temperaturen verträgt die Eisenphosphat-Chemie aber noch weniger als die konventionellen Akkus. Die Käufer der ersten Model 3 mit LFP-Akkus bekamen das mit sehr niedrigen Ladeleistungen im Winter zu spüren. Mittlerweile beherrscht die Tesla-Software der Ladesteuerung aber das punktgenaue Vorwärmen der Kobalt-freien Akkus, heute laden die LFP-Modelle am Supercharger genauso schnell wie die Vorgänger mit Kobalt-Mangan-Zellchemie.

Lithium-Eisenphosphat-Zellen haben noch einen weiteren Vorteil: sie sind viel weniger brandgefährlich und kennen kein thermisches Durchgehen – so bezeichnet man das Aufplatzen der Akkuzelle und den Brand, der durch das Freisetzen des brennbaren Elektrolyts entsteht. In klassischen Lithium-Akkus kann dadurch eine Kettenreaktion entstehen: Eine Zelle nach der anderen überhitzt, und platzt auf. Den Standard-Sicherheits-Test, bei dem ein Nagel durch eine Akkuzelle geschlagen wird, bestehen LFP-Akkus mit einer moderaten Erwärmung, während Kobalt-Mangan-Zellen durch den Kurzschluss beim Nageltest praktisch immer brennen und im Auto deshalb unbedingt vor mechanischer Beschädigung geschützt werden müssen und entsprechend schwere und stabile Gehäusekonstruktionen brauchen. Ein weiterer Gewichts-Vorteil für die alternativen Akkus.

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BYD hat für seine LFP-Akkus eine neue Akkuform entwickelt. Anstatt Rundzellen (wie Tesla) oder prismatische Zellen (Quaderförmig) einzusetzen, die zu Akkumodulen (mit Kühlwasser-Anschluss) zusammengepackt werden, setzen die Chinesen auf so genannte Blades: Diese Akkuzellen sind ca. 96 Zentimeter lang, 12 Zentimeter breit und nur 1,35 Zentimeter dick. Die Blades lassen sich einfach aneinander montieren, und ergeben ohne zusätzliche Gehäusestruktur (entsprechend der Zell-Module in klassischen Auto-Akkus), einfach nur mit einem Rahmen einen fertigen Auto-Akku.

BYD nennt für die Blades eine Speicherdichte von 166 Wattstunden pro Kilogramm, die besten Kobalt-Mangan-Zellen erreichen mit 270 Wattstunden zwar sehr viel höhere Zell-Speicherdichten, beim kompletten Akku inklusive Kühlung und Schutzgehäuse gleicht sich dieser Unterschied aber fast wieder aus.

Ganz nebenbei sind die LFP-Akkus wegen der günstigeren Rohstoffe billiger als die klassischen Lithium-Ionen-Akkus: In China lagen die Einkaufspreise für prismatische LFP-Zellen im Sommer schon deutlich unter 100 Dollar pro Kilowattstunde. Die BYD-Blades werden auf chinesischen Großhandelsseiten ebenfalls für weniger als 100 Dollar gehandelt. Klar, dass zum Beispiel Tesla für seine Basis-Modelle und weitere, günstigere Autos auf LFP-Technik setzt.

Der Einsatz von Natrium ist die logische Fortsetzung dieser Entwicklung: Mit den neuesten Zell-Chemien fallen alle bisherigen, teuren Rohstoffe weg. CATL hat im Sommer nach eigenen Angaben mit der Produktion von Natrium-Ionen Akkus begonnen, die auf Eisen und eine Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung für die Elektroden setzen. Während in bisheriger Akkutechnik Trägerfolien aus Aluminium und Kupfer zum Einsatz kommen, soll CATL sogar das Kupfer aus der Zelle verbannt haben und nur auf Alu-Folien setzen. Außerdem sollen die Zellen ohne brennbare Elektrolyte auskommen.

Im Vergleich zu LFP-Zellen sind die versprochenen Eigenschaften von CATLs Natrium-Akkus damit eine weitere Steigerung: Auch sie bestehen den Nagel-Test ohne Sicherheitsprobleme, die Zellen sollen sich bei dieser groben Behandlung durch den Kurzschluss nur um wenige Grade erwärmen. Beim Laden und Entladen kommt der sehr geringe Innenwiderstand der Natrium-Chemie zum Tragen: Insgesamt wird der Lade-Entlade-Wirkungsgrad der Natrium-Zellen mit deutlich über 80 Prozent beziffert. Insbesondere beim Laden bedeutet das, dass ein solcher Akku mit sehr hohen Ladeströmen beaufschlagt werden kann ­– CATL spricht von 15 Minuten für das Laden bis 80 Prozent. Alternativ ist es auch möglich, einfache Natrium-Akkus ganz ohne Temperierungs-Technik zu betreiben, weil sie selbst bei strengem Frost noch gute Leistung bieten (konkret: bei minus 20 Grad soll die Kapazität der CATL-Zellen bei 90 Prozent des nominellen Werts liegen).

Natürlich haben die Natrium-Akkus einen Haken: Die Energiedichte ist nochmals geringer als bei den LFP-Zellen. Professor Maximilian Fichtner, Festkörper-Chemie-Spezialist und stellvertretender Direktor des Helmholtz-Instituts in Ulm, sieht da aber ein klare Entwicklung hin zu den Spezifika von LFP-Akkus, also zu Werten, die für Traktions-Batterien in Elektro-Autos praktikabel wären. CATL stellt für kommende Generationen sogar 200 Wattstunden pro Kilogramm in Aussicht, was über den aktuellen LFP-Spezifikationen läge.

Auch bei der Haltbarkeit von Natrium-Akkus gibt es gewisse Einschränkungen gegenüber LFP: Während letztere bis zu 10.000 Ladezyklen versprechen, stellt CATL für seine Akkus ca. 1.000 Zyklen in Aussicht, was bei einem Auto mit 200 Kilometern Reichweite 200.000 Kilometer Lebensdauer bedeutet. Nutzt man nur 80 Prozent der Kapazität, sollen die Zellen auch 3.000 Zyklen lang durchhalten. Die Haltbarkeit ist damit ganz ähnlich wie bei aktuellen Kobalt-Mangan-Akkus, mit über 450.000 Kilometern Lebenserwartung würde ein Natrium-Akku wohl die meisten Kleinwagen deutlich überdauern.

Dass CATL bei den Natrium-Zellen auf günstige und vergleichsweise unproblematische Materialien setzt, haben wir oben schon erwähnt, aber gilt das auch für das Natrium selbst? Elementares Natrium ist sehr reaktionsfreudig und kommt in der Natur deshalb nicht vor. In Verbindungen gibt es Natrium dagegen in rauen Mengen. Die bekannteste Natrium-Verbindung ist Kochsalz – und aus genau diesem lässt sich der Stoff per Schmelzfluss-Elektrolyse gewinnen. Das Salz muss dafür zwar bei 580 Grad geschmolzen werden, als Industrie-Prozess verbraucht die Herstellung von einem Kilogramm Natrium dennoch nur zehn bis zwölf Kilowattstunden Energie. Als Konsequenz ist Natrium erheblich billiger als Lithium, und weil die Produktion der Zellen in den gleichen Industrie-Anlagen erfolgen kann, wie die der Lithium-basierten Akkus, gibt es auch keine prohibitiven  Start-Investitionen. Professor Fichtner nennt in einem Vortrag einen Preisbereich von 30 bis 40 Dollar pro Kilowattstunde Akkukapazität, der schnell erreicht werden könne. Das wäre etwa ein Drittel der heute üblichen Preise und auch viel weniger als mittelfristig mit LFP-Akkus machbar ist.

Mit diesen Preisen tun sich ganz neue Horizonte auf: Ein Kleinwagen von der Art eines VW e-Up oder eines Honda e mit rund 35 kWh Akkukapazität wäre mit Natrium-Akku nicht mehr teurer als ein Verbrenner mit aktueller Abgas-Nachbehandlung, weil die Batterie selbst weniger als 1.500 Euro kosten würde. Ein Euro-7-Verbrenner mit Turboaufladung und Direkteinspritzung, sowie mit Katalysatoren und Partikelfilter im Abgasstrang kann mit solchen Preisen nicht mehr konkurrieren.

Ein wichtiger psychologischer Aspekt könnte mit so günstigen Akku-Preisen greifen: Bislang haben Konzepte mit Akku-Tauschstationen, wie sie Nio in China etabliert, in Europa keine große Resonanz bei Elektroauto-Fahrern gefunden. Ein Elektroauto-Käufer, der weiß, dass die Batterie in seinem Fahrzeug einen fünfstelligen Eurobetrag wert ist, wird diese ungern gegen irgendeinen anderen, gebrauchten Akku eintauschen wollen.

Bei einem Akku für 1.000 Euro wäre das sicher anders. Während es zunächst schwierig sein wird, ein Elektroauto mit Natrium-Akku mit 500 Kilometer Reichweite zu realisieren, könnte der Akkutausch und die hohe mögliche Ladeleistung (15 Minuten bis 80 Prozent Ladestand) solche Autos trotzdem langstreckentauglich machen.

CATL ist von den Eigenschaften des Natrium-Akkus zwar überzeugt, wie man im Präsentationsvideo auf Youtube sehen kann, trotzdem will der Hersteller Akku-Pakete für Autos anbieten, die zusätzliche Vorteile bieten. Dazu hat CATL einen Hybrid-Akku konzipiert, bei dem sich im Akku-Gehäuse klassische Lithium-Kobalt-Mangan-Zellen mit Natrium-Zellen abwechseln. Ein solcher Akku ist ein Kompromiss, er soll durch eine kluge Ansteuerung aber möglichst viele positive Eigenschaften zusammenbringen: Die Kapazität des Akkus ist insgesamt größer als die eines reinen Natrium-Akkus, bei niedrigen Temperaturen liefern die Natrium-Zellen hohe Leistung und können die Lithium-Zellen anwärmen. Die Natrium-Zellen wirken wie Brandmauern im Akku und unterdrücken im Brandfall die Kettenreaktion, die in reinen Lithium-Akkus auftreten kann. Und weil die Natrium-Zellen kühl bleiben, kann die Temperierung der Lithium-Zellen einfacher gehalten werden. Der Natrium-Teil eines solchen Akkus kann sehr schnell geladen werden – wenn die Natrium-Zellen in 15 Minuten auf 80 Prozent laden, die Lithium-Zellen in der gleichen Zeit auf 50 Prozent, dann wäre die Langstreckentauglichkeit eines Autos mit diesem Akku genauso gut, wie die der besten Lithium-basierten Akkus von heute. Die genauen Leistungswerte nennt CATL noch nicht, aber wenn der Hersteller es schafft, die Vorteile der beiden Technologien optimal zu kombinieren, dann könnte der Hybrid-Akku schnell zum Maß der Dinge werden.

Günstigere Akkus machen der Wasserstoff-Konkurrenz das Leben noch schwerer. Lesen Sie, warum die Brennstoffzelle sich im PKW nicht durchsetzen wird.

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