Als Manko von Elektroautos gelten ihre Ladezeiten in Verbindung mit Reichweiten, die noch nicht ganz mit Verbrennern konkurrieren können. Während viele Benzin- oder Dieselwagen deutlich weiter als 500 Kilometer fahren können und sich binnen weniger Minuten betanken lassen, können nur wenige Elektroautos solche Strecken zurücklegen und müssen an üblichen Ladestationen oft rund eine Stunde stehen, um auf die empfohlene Akkuladung von 80 Prozent zu kommen.

Vielerorts wird bereits an Verbesserungen gearbeitet. Eine Aufladung binnen weniger Minuten demonstrierte vor kurzem etwa ein chinesischer E-Auto-Hersteller. Aus Deutschland kommen nun frohe Nachrichten, was die Reichweite betrifft. Forscher des Karlsruhe Institute of Technology und des Helmholtz-Instituts in Ulm haben eine Lithium-Metall-Batterie entwickelt, die hier eine massive Steigerung verspricht.

Großes Potenzial

Konkret erreicht ihre Entwicklung eine Energiedichte von deutlich über 500 Wattstunden pro Kilogramm. Gemessen an üblichen Lithium-Energiespeichern, die im besten Falle auf 200 bis 300 Wh/kg kommen, stellt dies also eine Verdopplung dar. Umsetzbar wäre damit etwa eine Steigerung der Reichweite auf über 1.000 Kilometer, ohne dass ein Auto dafür schwerer werden muss.

Denkbar wären auch leichtere Fahrzeuge, die dank des ersparten Gewichts mit kleinerem Akku dennoch etwas größere Distanzen zurücklegen als bisher. Auch für elektrische Luftfahrt könnten sich neue Chancen auftun.

Neues Elektrolyt bringt Wende

Die Forscher experimentierten mit einer gut verfügbaren Kobalt-armen und Nickel-reichen Kathode. Diese erreichte zwar eine sehr hohe Energiedichte, zeigte aber in Kombination mit dem organischen LP30-Elektrolyt bereits nach wenigen Ladezyklen deutliche Degradierungserscheinungen.

Also beschloss man, auf ein ionisches Flüssig-Elektrolyt umzusteigen, das zudem wenig Volatilität aufweist und nur schwer brennbar ist. Dazu nahm man auch strukturelle Modifikationen an der Kathode vor.

Geringer Verschleiß, hohe Effizienz

Die Ergebnisse sind durchaus bemerkenswert. Man erreichte eine Energiedichte von 560 Wh/kg. Damit liegt man auch deutlich vor den aktuell besten Prototypen neuer Lithium-Akkus, die es auf 350 Wh/kg schaffen, aber binnen 600 Ladezyklen rund ein Viertel ihrer Kapazität einbüßen. Der Akku des Forscherteams bot in Labortests nach 1.000 Zyklen immerhin noch 88 Prozent seiner ursprünglichen Leistung.

Auch in puncto Coulomb-Effizienz, die im Prinzip beschreibt, wie gut der Strom zwischen Anode und Kathode fließt, ist man bereits stark unterwegs und erreicht Werte kommerziell verfügbarer Akkus. Diese müssen eine Effizienz von wenigstens 99,9 Prozent (von 1.000 beim Aufladen bewegten Lithium-Ionen werden 999 beim Entladen zurückgewonnen) aufbieten, um als marktreif zu gelten. Die Batterie aus Karlsruhe und Ulm erreicht bereits 99,94 Prozent.

Abwarten

Bis die Erfindung ihren Weg in die Produktionsstätten der Autohersteller finden könnte, wird aber noch einige Zeit vergehen. Nächstes Ziel der Forscher ist es, das Verfahren so zu skalieren, dass es auch außerhalb des Labors anwendbar ist und vergleichbare Ergebnisse erzielt. Die Erkenntnisse zu ihrer bisherigen Entwicklung wurden im Journal "Joule" veröffentlicht. (gpi, 26.8.2021)