Volkswagen Magazin

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tanz der moleküle.

Ob Elektromobilität ein Massenphänomen wird, hängt entscheidend von leistungsstarken, sicheren und bezahlbaren Auto-Batterien ab. Volkswagen forscht mit neuen Materialien und entwickelt die Akkus der nächsten und übernächsten Generation.

Text  Sabrina Künz
Illustration KircherBurkhardt Infografik

Satte zweieinhalb Tonnen, davon 850 Kilogramm Bleiakku – mit diesem Kampfgewicht präsentierte Volkswagen 1972 sein erstes E-Fahrzeug, den Transporter T2 Electric. Gemächlich war der Elektropionier unterwegs: mit 70 km/h Höchstgeschwindigkeit und 45 PS (33 kW ) Spitzenleistung. Seitdem haben die elektrifizierten Volkswagen kräftig abgespeckt. Die Batterie des e-up! etwa wiegt 230 Kilo bei einer Höchstgeschwindigkeit von 130 Stundenkilometern und einer Leistung von 82 PS (60 kW).

 

Trotzdem fragen sich viele, warum die Technik nicht schneller schlanker wird. Wenn wir heute mehr Speicher im Handy haben als früher in riesigen Computern, warum entwickelt niemand einen Akku, der ins Handschuhfach passt, und eine Reichweite von 600 Kilometern hat? Die Antwort ist, dass es sich bei Akku-Technik um einen chemischen Prozess handelt – und somit um einen nicht vergleichbaren Vorgang.

Wie funktioniert ein e-Akku?

Ein Blick in die Batterie des e-up!. In der Kathode sind zwischen Metalloxid-Schichten Lithium-Ionen eingelagert (rot).

Volkswagen setzt bei seinen Elektrofahrzeugen auf Lithium-Ionen-Akkus. Wie lassen sich diese verbessern? In der Forschung und Entwicklung von Volkswagen arbeiten weit über 100 Mitarbeiter daran. Ziel ist es, in den kommenden vier Jahren Prototypen für Zellen mit einer Energiedichte von 280 Wattstunden pro Kilo (Wh/kg) zu entwickeln –  heute erreichen Akkus in der Spitze 180 Wh/kg. Um das selbst gesteckte Ziel zu erreichen, analysieren die Forscher Systeme und Materialien, die bereits im Einsatz sind, erproben Alternativen, bauen Forschungsfahrzeuge und untersuchen Prototypen anderer Hersteller.
Seit 2009 gibt es die Volkswagen VARTA Microbattery Forschungsgesellschaft in Ellwangen. Das Joint Venture beschäftigt 40 Mitarbeiter, die Lithium-Ionen-Akkus für Elektrofahrzeuge entwickeln. Sie testen gemeinsam mit Volkswagen, ob sich Forschungsergebnisse erfolgreich in die Serienproduktion umsetzen lassen. Denn viele Stoffe halten in der Praxis nicht, was sie im Labor versprechen. Teils schaffen es auch Hoffnungsträger nicht in Serie. Zum Beispiel, wenn sie sich nicht genügend verdichten lassen. Das ist wichtig, da verschiedene Das ist wichtig, da verschiedene Partikelgrössen in der aktiven Schicht dafür sorgen, dass der begrenzte Raum bestmöglich ausgenutzt wird. Andere Materialien sind zwar hochenergetisch, reissen aber schnell und lassen sich daher nicht in Serie produzieren. Der Erfolg eines Akkus hängt von fünf Kriterien ab: Lebensdauer, Energie, Leistung, Sicherheit und Kosten.

Wodurch wird der e-up! dynamisch?

Während des Ladevorgangs wandern die Lithium-Ionen (rot) aus der Kathode (rechts) durch den Separator zur Anode und lagern sich dort in der Grafitstruktur ein.

Was steckt in der Auto-Batterie?

Aufbau Streng genommen ist die Auto-Batterie keine Batterie, sondern ein Akku. Er besteht aus vielen stromproduzierenden Einheiten, beim e-up! beispielsweise rund 200 Zellen. Sie haben eine Kathode (positive Elektrode) aus Lithium-Metalloxid und eine Anode (negative Elektrode) aus Grafit. Kathode und Anode sind durch einen Separator getrennt, eine dünne Membran aus Kunststoff, die zwar die Elektroden voneinander isoliert, für Ionen aber durchlässig ist. Ausserdem enthalten die Akkus eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit, Elektrolyt genannt.

Prozess In der Kathode sind zwischen Metalloxid-Schichten frei bewegliche Lithium-Ionen eingelagert. Beim Aufladen wandern sie durch den Elektrolyten zwischen die Grafitschichten der Anode. Hier nehmen sie Elektronen auf. Wichtig für das Elektrofahrzeug ist die sogenannte Energiedichte der Batterie, gemessen in Wattstunde pro Kilogramm (Wh/kg). Je mehr freie Lithium-Ionen in der Kathode vorhanden sind, desto mehr können sich während des Ladevorgangs auf der gegenüberliegenden Seite in der Anode einlagern, und desto weiter fährt das E-Fahrzeug. Beim Entladen wandern die Ionen aus dem Grafit über den Elektrolyten zurück in das Metalloxid der positiven Elektrode.

Lebensdauer.

Die Lebensdauer wird in Ladezyklen gemessen. Serienreif ist eine Zelle, wenn sie 1'600 Zyklen überdauert. Sobald ein Akku geladen ist, versucht er, seinen thermodynamischen Ruhezustand wieder herzustellen. Er entlädt sich nach und nach, auch wenn er nicht genutzt wird. Diesen Effekt nennt man Selbstentladung. Daneben altert der Akku, je nachdem wann, wie und wie lange man sein E-Auto auflädt und fährt. Umweltfaktoren beeinflussen beide Formen. Die Selbstentladung nimmt mit steigender Temperatur zu. Ungenutzt und kühl bleibt ein Akku länger frisch. Nutzt man sein Auto allerdings, altert der Akku bei Kälte schneller, da die Ionen in den Zellen träge sind und es mehr Kraft braucht, sie zu bewegen. Mögliche Folge ist „Lithium Plating“. Dabei lagert sich das Lithium an der Anode ab, reagiert und bildet eine feste Schicht, die weitere Ionen nicht mehr durchlässt. Die Forscher suchen Wege, die Lebensdauer der Akkus zu erhöhen. Sie testen beispielsweise Materialien, die weniger temperaturempfindlich reagieren.

Energie & Leistung.

Zweites grosses Thema ist die Energie an sich, also Verfügbarkeit, elektrische Reichweite, Ladezeit und die benötigte Infrastruktur. Um die Reichweite zu steigern, müssen Akkus leichter werden. Die Zellen machen ca. 62 Prozent des Gesamtgewichts des Akkus eines Elektrofahrzeugs aus. Daher arbeiten die Forscher an Leichtbauverfahren für den Aufbau, also die nicht aktiven Teile. Mit Erfolg. In der ersten Generation der Akkus waren beispielsweise die Elemente verschraubt, in der zweiten verschweisst. Das spart Gewicht. Ausserdem wollen sie den Bauraum besser nutzen. Ziel ist es, die Kapazität zur nächsten Generation im gleichen Raum zu verdoppeln. Auch bei der Reichweitensteigerung geht es um Materialforschung. Volkswagen entwickelt die Lithium-Ionen-Zelle weiter und forscht an neuen Materialkombinationen, beispielsweise der Lithium-Schwefel-Batterie mit einer möglichen Energiedichte von 600 Wh/kg sowie der Lithium-Sauerstoff-Batterie mit 1‘000 Wh/kg. Langzeittests werden zeigen, ob sie den Kriterien der Serienproduktion genügen werden. Eng verbunden damit ist die Leistung, da dynamisches Fahren, Beschleunigen oder Bremsen bei unterschiedlichen Einsatzgebieten wie Plug-in-Hybriden oder Elektrofahrzeuge dem Akku viel abverlangen.

Was passiert beim Bremsen?

Willkommen in der Anode! Hier nehmen die Lithium-Ionen (rot) Elektronen (gelb) auf. Je mehr freie Ionen in der Kathode vorhanden sind, desto mehr können sich während des Ladevorgangs in der Anode einlagern und desto weiter fährt das E-Fahrzeug.

Sicherheit.

Enorm wichtig ist das Thema Sicherheit. Die hohe Energiedichte auf engem Raum kann zu Kurzschlüssen und Bränden führen. Akkus müssen so gesichert sein, dass sie bei Unfällen niemanden gefährden. In den E-Fahrzeugen von Volkswagen ist der Akku so positioniert, dass er bei Unfällen keinen Schaden nehmen kann. Zudem forscht Volkswagen weiter an Materialien, die keine ungewollten chemischen Reaktionen auslösen. Im normalen Betrieb des Wagens müssen die Akkus ausserdem sicher und komfortabel zu warten und zu reparieren sein. Die Kosten sollen schliesslich mit konventionellen Antrieben vergleichbar sein.

Kosten.

Bleibt das letzte, gleichwohl entscheidende Kriterium: die Kosten. Einige Tausend Euro mehr kostet die E-Batterie, ohne Akku würde die Grossserienherstellung eines Elektroautos ähnlich viel kosten wie die eines Benzinfahrzeugs. Daher sorgt die Forschung und Entwicklung dafür, dass Elektroautos für mehr Kunden erschwinglich werden. Und arbeitet an einem ausgeglichenen Stoffkreislauf: Alle Teile des Akkus sollen wiederverwertbar sein. Das schont die Umwelt und senkt letztlich den Preis. Er wird auch in Zukunft eine grosse Herausforderung bleiben. Denn viele Menschen haben Lust, neue Antriebe auszuprobieren. Eine repräsentative Umfrage des Hightech-Verbands BITKOM im August 2013 ergab, dass zwei Drittel der Deutschen sich ein batteriebetriebenes Auto zulegen würden. 40 Prozent allerdings nur, wenn die gesamten Kosten nicht höher lägen als bei einem herkömmlichen Fahrzeug.