Akkuwunder gibt es immer wieder

Über die Jahre hat man sich daran gewöhnt, dass die so oft berichteten vermeintlichen Durchbrüche und spektakulären Leistungsdaten allzu oft vor allem geschicktes Marketing sind. Unterhalb des Sensationellen geschehen dennoch bemerkenswerte Entwicklungen, die das Zeug haben, schon sehr bald spürbare Veränderungen zu bewirken.

Natrium-Batterien

Ein heißes Thema, das in jüngster Zeit durch die Fach- und sonstige Presse ging, sind die Fortschritte bei Na­trium-Batterien. Die Situation im Moment ist nach wie vor so, dass sie weder die Energiedichte noch die gleiche Zahl an Ladezyklen der etablierten Lithium-Ionen-Akkus erreichen. Ihre Haltbarkeit ist also geringer und dabei sind sie auch noch größer und schwerer. Warum also diese Begeisterung? Das sind die anderen Eigenschaften, mit denen Natrium-Batterien punkten: Zum einen lädt dieser Akkutypus enorm schnell, schneller als es mit Li-Ion-Technik möglich ist, sie sind kaum kälteempfindlich, nicht brennbar und vor allem ist es der denkbare Preis dieser Technik, der die Fantasie des Marktes anregt. Natrium ist ein überall verfügbares, enorm günstiges Element, das dementsprechend zu minimalen Kosten zu haben ist. Zumindest bei entsprechenden Fertigungszahlen würden also die Preise schnell sinken. Gesprochen wird von der Hälfte des Preises von Li-Ionen-Akkus und im Automobilbereich von Fahrzeugpreisen, die deutlich unter denen von Verbrennern lägen. Zudem brauchen diese Akkus dann keine seltenen Erden oder andere kostbare Metalle, deren Abbau die Umwelt belastet und auch zu politischen Abhängigkeiten führt, was heutzutage ebenfalls mitgedacht werden muss.
»Unter den aktuellen globalen Gesichtspunkten, können wir uns die Abhängigkeit von Nickel und Kobalt nicht mehr leisten. Dies führt zu starken Änderungen in den strategischen Ausrichtungen der jeweiligen Hersteller und damit zu einer stark beschleunigten Entwicklung in unserem Bereich«, verdeutlicht etwa Matthias Behlke, Geschäftsführer bei AES Akku Energie Systeme.
Sollte diese Technologie in absehbarer Zeit in größeren Stückzahlen verfügbar werden, dann würde das ziemlich sicher auch in der Fahrradwirtschaft Folgen haben. Zu denken ist an das Einstiegssegment im E-Bike-Markt, in dem plötzlich ganz andere Preispunkte erreichbar sind.
Nun hat man vollmundige Versprechungen aus der Akku-Entwicklung schon ein paar Mal gehört, sodass man in der Regel bei solchen vermeintlichen Technologiesprüngen nicht mehr so schnell in Verzückung gerät. In diesem Fall könnte das mit der Serienreife mehr oder weniger weit weg sein: In China wurde ein neues Elektroauto namens Sehol E10X vorgestellt, das vor allem dadurch auffällt, dass es eben der erste Pkw mit einer Natrium-Ionen-Batterie ist. Diese soll also innerhalb von 15 Minuten auf 80 Prozent geladen werden können und auch bei minus 10 Grad Celsius noch 90 Prozent ihrer Energie zur Verfügung stellen. Noch ist der Wagen aber in der Erprobung, andere Hersteller wollen schon im zweiten Quartal 2023 nachziehen und ähnliche Akkus und Autos herstellen. Andere Quellen erwarten aber erst ab 2026 massenverfügbare Produkte. Autohersteller JAC stattete den Kleinwagen Sehol mit Natrium-Eisen-Mangan-Kupfer-Kathoden aus, der gesamte Akkupack verspricht laut den bisher bekannten Angaben eine Energiedichte von 140 Wattstunden pro Kilogramm, was noch recht weit ist von den hochwertigen Li-Ion-Akkus, die inzwischen nochmals deutlich darüber liegen. Allerdings liegen mit diesen Werten Lithium-Eisenphosphat-Akkus gar nicht mehr so weit über denen der Natrium-Pendants. Aber auch deren Entwicklung geht rasch voran.

Leistungsstarke Akkupacks finden heute vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Im gewerblichen Einsatz kommen die größten Energiespeicher zum Einsatz.

Lithium-Eisenphosphat-Akkus

Statt in mehr oder weniger ferner Zukunft sind Lithium-Eisenphosphat-Akkus heute schon verfügbar und gewinnen schnell an Marktanteilen, auch in der Fahrradwelt. Die Entwicklung bleibt nicht stehen, wie Matthias Behlke erklärt. »Natrium hat leider eine viel zu geringe Energiedichte. Im Moment sind die stärksten Zellen bei unter 100 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Dies wird sich leider auch nicht zeitnah wesentlich verbessern.« Dennoch sieht er gravierende Veränderungen an der Akkufront auf die Fahrradbranche zukommen: »Zum Thema Zukunft der Zellchemie für die ›Mikromobilität‹ wird es tatsächlich starke Veränderungen innerhalb der nächsten 12 bis 18 Monate geben. Hier hat sich und wird sich vieles stark verändern.« Noch vor zehn Jahren lag die Energiedichte von Lithium-Eisenphosphat-Akkus dort, wo heute Natriumzellen sind, bei 90 bis 100 Wh/kg. »Wir sind aktuell bei 150-180 Wh/kg was ein enormer Fortschritt zu vor zehn Jahren ist.« Doch das ist noch nicht die spektakuläre Nachricht: »Mit dem Verlauf dieses Jahres werden wir Energiedichten von 200-220 Wh/kg erreichen«, erklärt Behlke. Damit macht diese Zellkategorie einen großen Sprung, der sich unmittelbar in der Praxis niederschlagen wird. »Dies bedeutet zum Beispiel, dass unser SuperPack und PowerPack plus dann von 1,44 kWh auf ca. 2 kWh springen werden. Dies erreichen wir überwiegend durch die Inte­gration von sogenannten ›Nanotubes‹ und die Beimengung von Mangan (LiFeMnPo4).«

Li-Ionen-Akkus

Bei all den rasanten Entwicklungen bleiben die aktuellen Lithium-Ionen-Akkus natürlich der Gradmesser der Technik, denn auch hier steht das Rad nicht still. »Wir sind dabei, Zellen mit ca. 10 Prozent höherer Energiedichte in den Markt zu bringen. Bei einer 21700er Zelle (TerraE 55E) springen wir von 5 auf 5,5 Amperestunden, um im gleichen Bauraum mehr Reichweite zu ermöglichen«, erklärt Alexander Dautfest, der bei Akkuspezialist BMZ den Bereich Innovation & Research verantwortet.

Feststoffbatterien

Sie werden als »heiliger Gral der Batterieforschung« bezeichnet, als Gamechanger, die Zukunft der Elektromobilität, als Innovationschance der hiesigen Industrie und noch vieles mehr. Es geht um Feststoffbatterien, denen immer wieder Wundereigenschaften zugesprochen werden und die damit das Feld der E-Mobilität aufrollen könnten. Das Problem? Wie allen Wunderdingen gemeinsam ist, besteht auch hier das Problemchen, dass sie noch nicht wirklich existieren beziehungsweise nur in mehr oder weniger experimentellen Kleinserien gebaut werden. Auch wenn oft so getan wird, als habe man ein fertiges Produkt, das nun in industriellem Maßstab produziert werden könne, ist das bisher nicht wirklich der Fall. Am nächsten dran schien Quantumscape zu sein, die bisher ankündigen, ab 2024 diesen Akkutyp in großen Stückzahlen produzieren zu können. Allerdings ist das gleiche Unternehmen vor zwei Jahren zur Zielscheibe eines Shortsellers geworden, der behauptete, dass die Technologie nicht funktioniere. Diese Behauptung steht immer noch im Raum, während inzwischen auch andere Unternehmen eine Produktion für 2024 ankündigen.
Der Unterschied zu den bestehenden Lithium-Ionen-Batterien (LIB) besteht darin, dass es keinen flüssigen, brennbaren Elektrolyten mehr im Akku gibt. Sie sind damit schon prinzipiell sicherer und sollten höhere Energiedichten ermöglichen. Allerdings geben die Experten inzwischen zu bedenken, dass jedes Jahr auch die heute genutzten Li-Ion-Akkus immer besser werden. Es ist nicht klar, ob die Vorteile am Ende so groß ausfallen werden, dass Feststoffakkus die aktuellen Produkte wirklich ausstechen können.

Superkondensatoren

Eine ebenfalls aktuell sehr gehypte Technologie sind Superkondensatoren, ein Technologiefeld, auf dem Elon Musk persönlich einst eine Doktorarbeit begann, bevor er sich dazu entschied, Unternehmer zu werden. Kondensatoren sind aus dem Feld der Elektronik schon lange bekannt. Dort wirken sie beispielsweise gegen Spannungsänderungen, und als Speicher für elektrische Ladung sind sie im Kern eine Form von Batterie. Das »Super« vor dem Namen verdienen sie sich, wenn sie besonders große Ladungsmengen besonders schnell aufnehmen können, also ihre Batteriefunktion betonen oder wenn im praktischen Einsatz besonders oft Schaltvorgänge vorkommen. Bisher kannte man die Technik am ehesten aus der Formel 1, inzwischen findet ein neuer Anlauf statt, Superkondensatoren in Alltagsprodukten einzusetzen, allen voran im Auto, aber in Zukunft auch am Fahrrad.

»Für die ›Mi­kro­mobilität‹ wird es tatsächlich starke Veränderungen innerhalb der nächsten 12 bis 18 Monate geben.«

Matthias Behlke, AES, Akku Energie Systeme

Das Ziel der aktuellen Entwicklungen ist es, diese Kondensatoren mit aktueller Akkutechnik zu verbinden. Im Ergebnis könnten dann auch Mi­kromobilitätsprodukte aller Art von dieser Art von Rekuperation profitieren. Ein schöner Nebeneffekt ist, dass die Akkuzellen in der Nutzung weniger strapaziert werden und höhere Zyklenzahlen erreichen könnten. Wann diese Technik dann tatsächlich in der Breite verfügbar sein wird, steht aber einmal mehr in den Sternen.
Ganz große Sprünge durch neue Zellchemien sind weiter weg, wie sein BMZ-Kollege Ali Şahin, Teamleiter in der Gruppe Innovation & Research Projects erklärt: »Neue Zellchemien wie Lithium-Schwefel oder Lithium-Luft mit sehr hohen Energiedichten im Vergleich zu Li-Ion-Zellen befinden sich aktuell in der Grundlagenforschung. Diese Zellchemien müssen dann im nächsten Schritt noch in großem Maßstab industrialisiert werden, sodass sie kommerziell mit den Li-Ionen Zellen konkurrieren können. Natrium-Ionen-Zellen werden aufgrund ihrer niedrigeren Energiedichte im Vergleich zu Li-Ionen Zellen ihre Anwendung eher im stationären Bereich finden.«

Batteriesicherheit

So wie die Reichweitenangst ist auch die Angst vor einem brennenden Akku eher ein psychologisches Problem, als dass die Daten hier eine erhöhte Gefahr hergeben. Bekanntermaßen brennen zumindest am Pkw die Verbrenner deutlich häufiger als Elektrofahrzeuge, allerdings schaffen es nur Letztere regelmäßig in die regionalen und überregionalen Medien. Bei Fahrrädern ist die Situation allerdings anders, denn klassische Fahrräder kommen bisher nicht im Entferntesten als Brandquelle in Betracht. Mit einem E-Bike hat man nun eine zusätzliche Gefahrenquelle im Haus, sei sie auch noch so gering. Nicht zuletzt deswegen steht an dieser Front die Entwicklung nicht still. So wird schon seit geraumer Zeit daran gearbeitet, das »thermische Durchgehen«, also die schließlich unkontrollierbare Erhitzung des Akkus, die am Ende zum Brand führt, in den Griff zu bekommen. Zellhersteller Farasis hat hier eine Lösung vorgestellt, die einen solchen Worst Case auf eine einzelne Zelle begrenzt. Im Falle einer Beschädigung oder eines Defekts soll künftig also nur ein kleiner Teil des Akkupacks »abrauchen«, während die umgebenden Zellen ausreichend Kühlung erhalten, um ein Durchgehen abzuwenden. Solche Lösungen werden, sobald die verfügbar sind, sicher auch ihren Weg ans Fahrrad finden.
Überhaupt ist die reine Zelltechnologie nicht allein ausschlaggebend. Bevor ein Akkupack fertig ist, müssen noch viele andere Fragen beantwortet werden. Dazu gehört auch die nach der verwendeten Systemspannung. »Auf Produktebene sehen wir einen Trend zu 48-Volt-Technik. Dies ermöglicht es, in Kombination mit höherer Energiedichte der Zellen auch stärkere Anwendungen zu realisieren, wie zum Beispiel Lastenräder mit BMZ-Rs-Motor und BMZ-V10-13S-Akku«, erklärt BMZ-Entwickler Dautfest anschaulich.
Die Wunder, sie bleiben also selten; wenn man aber betrachtet, wo die Akkutechnik noch vor zehn oder zwanzig Jahren stand, dann ist die Entwicklung schon unglaublich. Würde man von dem Jahr 2000 aus in die heute Gegenwart schauen, dann würde sich vielleicht doch das Gefühl des Wunders einstellen. Wunder brauchen manchmal eben etwas länger. //