Der Mann für mehr Power

Leistungsstarke Batterien sind ein Schlüsselbaustein für die E-Mobilität. Die Chemie steckt dabei nicht nur in jeder einzelnen Batteriezelle. Die Branche bringt auch andere Technologien auf die Straße, die für unsere Mobilität relevant sind, wie etwa Brennstoffzellen oder den Fahrzeugleichtbau.

Lesezeit: 6 Minuten

„1 Million E-Autos in Deutschland bis 2025? Das ist machbar.“

Prof. Dr. Martin Winter

steht seit 30 Jahren unter Strom. Für die Batterieforschung. Für Plus und Minus und für die komplexen Prozesse, die sich dazwischen abspielen. Privat steckt der Träger des Bundesverdienstkreuzes und mehrerer Ehrenprofessorwürden seine Energie in die Geschichtswissenschaft und ins Aufspüren von leckeren Rezepten und Restaurants.

Alter: 54 Jahre

Wohnort: Münster

Familie: verheiratet, Vater von vier Kindern

Beruf: Professor für Physikalische Chemie. Wissenschaftlicher Leiter des Batterieforschungszentrums MEET in Münster und Gründungsdirektor des Helmholtz-Instituts Münster

Hobbys: Geschichte (von der Antike bis zur Jahrhundertwende), gutes Essen

Aus dem Alltag ins Auto: Lithium- Ionen-Batterien

Wir kennen sie aus unserem Alltag. Aus Smartphones, Tablets und Notebooks: Lithium-Ionen-Batterien, die neben Leichtgewichten wie Drohnen und E-Bikes auch ganze Autos bewegen. Weil sie für viele Anwendungen über den gegenwärtig besten Eigenschaftsmix verfügen, setzten sie sich gegen andere Technologien durch. Auf ihrer Habenseite verbuchen sie vor allem die hohe Energie- und Leistungsdichte. Dazu kommen die geringe Selbstentladung sowie ein gutes Sicherheits- und ein im Sinken begriffenes Preisniveau.

Bis in die 1990er-Jahre hinein gingen Lehrbücher davon aus, dass der praktische Energieinhalt einer Batterie höchstens bei 25 Prozent des theoretischen Werts liegen könne. Als Hemmschuh führte man interne Nebenreaktionen und die zahlreichen Inaktivkomponenten der Batterien ins Feld. Diese Einschätzung erwies sich als zu pessimistisch: Lithium-Ionen-Batterien schaffen heute bereits fast 50 Prozent. Und da geht noch mehr. Prof. Dr. Martin Winter vom Batterieforschungszentrum MEET schätzt, dass man die Energie von Lithium-Ionen-Batterien in Zukunft noch um 50 bis 70 Prozent erhöhen kann.

„Aus Lithium-Ionen-Batterien kann man noch50-70 %mehr Leistung herausholen.“

Auf dem Weg dorthin forscht man weltweit nach der besten Lösung innerhalb des Fünfecks aus Energie, Leistung, Lebensdauer, Sicherheit und den Kosten einer Batterie. Neu hinzu kommen jetzt die Verbraucherwünsche nach Nachhaltigkeit und – durch die wachsende Nachfrage nach Elektroautos – nach der Schnellladung.

Die Chemie in der Batterie

„Lithium-Ionen-Technologie ist quasi reine Zellchemie mit ein bisschen Drumherum. Chemie spielt eine immense Rolle für die Batterieenergieinhalte und damit auch für die Reichweite. Denn Batterie-Performance ist immer ein Quotient: Die Wattstunden sind den aktiven Zellkomponenten in der Chemie vorgegeben. Die stehen im Zähler“, führt Prof. Winter aus. Im Nenner steht neben dem Gewicht der aktiven Komponenten das erwähnte „Drumherum“, also z. B. das Zellgehäuse, die Kühlung (oder auch Heizung) und das Batteriemanagement – allesamt Bestandteile, die keine Energie liefern, dafür aber Gewicht auf die Waage. „Wenn man an diesen beiden Werten herumspielt, also die Wattstunden mit Chemie hochfährt und die Kilogramm runter, holt man die maximale Energie aus einer Batterie“, bringt Prof. Winter die beiden Ansatzmöglichkeiten auf den Punkt. Im Fokus der Forschung steht zum einen die Kathode, also die Elektrode, die bei der Ladung Ionen abgibt (Pluspol). Sie besteht aus dem namengebenden Lithium und aus Metalloxiden mit Nickel, Kobalt und Mangan (Bautyp: NCM), seltener ersetzt Aluminium das Mangan (NCA). Über den Einbau von Mangan und Aluminium kann man diesen Materialien viel Lithium entnehmen – und die Batterie große Energiemengen liefern. Darüber hinaus kann der Chemiker durch das Optimieren von Teilchenstruktur und Größe der Oxidkörnchen die Energiedichte der Batterie steigern und so die Reichweite eines E-Autos erhöhen.

Zwischen den Polen befindet sich der Elektrolyt, eine leitende Flüssigkeit, durch die die Lithium-Ionen zur Anode (Minuspol) wandern. Eine für sie durchlässige Plastikmembran, der Separator, verhindert einen Kurzschluss zwischen dem Plus- und Minuspol.

„Drehe ich an einer Stellschraube, verändere ich automatisch alle anderen mit.“

Auf der anderen Seite, in der bei der Ladung die Ionen aufnehmenden Anode, steckt Kohlenstoff in Form von Graphit. Hier forscht man daran, den Kohlenstoff durch Silizium zu ersetzen, das zehnmal mehr Lithium aufnehmen kann als Graphit. Noch verschlechtert das aber die Lebensdauer der Zellen spürbar.

Überhaupt ist Batterieforschung immer ein Spiel mit den Abhängigkeiten. Isoliert nur ein Parameter zu verändern, hilft nicht auf breiter Front. „Drehe ich an einer Stellschraube, verändere ich automatisch alle anderen mit“, so Winter. Aus diesem Grund gibt es auch eine Vielzahl kleiner Batterie-Evolutionen und nicht die große Revolution.

E-Mobilität: Forschung auf die Straße gebracht

Praktische Bezüge erhält Winters Arbeit immer dann, wenn es um konkrete Anforderungen für E-Autos geht. Das Nummer-eins-Ziel ist dabei: „Wie viele Wattstunden pro Liter Raum kann ich umsetzen, d. h. wie viel Kofferraum oder Passagierraum muss ich hergeben für wie viel Energieinhalt?“ Zweitens will Winter den optimalen Betriebsbereich der Lithium-Ionen-Batterie von derzeit 20 bis 80 Prozent Entladung erhöhen auf 15 bis 90 Prozent. Allerdings muss man darauf achten, dass dieser vergrößerte Korridor die Lebensdauer nicht schmälert, insbesondere beim Schnellladen der Zellen in den Randbereichen. Ein drittes großes Ziel ist es, die Temperaturabhängigkeit der Lithium-Ionen-Batterie zu verringern, denn „im Moment funktionieren sie eigentlich wirklich nur zwischen 25 und 40 Grad Celsius richtig gut.“ Damit würden Stromer deutlich wintertauglicher.

Auf festem Wege in Richtung Zukunft

Sollte die Lithium-Ionen-Technologie einmal ausgereizt sein, bedeutet das nicht das Ende der Fahnenstange. Feststoffbatterien arbeiten ebenfalls mit Lithium-Ionen als Ladungsträgern. Ihr Elektrolyt ist jedoch nicht flüssig, sondern besteht je nach Ausführung aus Metallen, Keramiken oder Polymeren. Die erhoffte Kompatibilität dieser Materialien mit Lithium-Metall und ihre hohe Ionenleitfähigkeit machen Festelektrolyte so interessant. Aus diesem Grund prognostiziert man, dass z. B Lithium-Metall-Batterien die in Zukunft voll ausgereiften Lithium-Ionen-Modelle noch einmal um 30 bis 40 Prozent in der Leistung übertreffen könnten. „Das entspräche in etwa dem Faktor 2 des heutigen Lithium-Ionen-Niveaus“, so Winter. Feststoffbatterien weisen zudem ein äußerst kompaktes Design auf. Das erlaubt – bei gleichem Energieinhalt – kleinere und leichtere Batterien. Und die sehnt die Branche herbei. E-Autos würden leichter, ihre Reichweite größer und bei ihrem Design muss weniger Raum für die Stromquelle verplant werden. Entsprechend groß sind die Anstrengungen, Feststoffbatterien im Mobilitätsmarkt zu etablieren. Hinsichtlich ihrer Serienreife scheiden sich unter Batterie- und Automobilexperten jedoch die Geister. Der Münsteraner Forscher sieht den Durchbruch von Feststoffbatterien im Automobilsektor nicht vor 2030: „Die eierlegende Wollmilchsau bekommt man einfach nicht über Nacht.“ Als problematisch gelten sowohl die langen Ladezeiten als auch die Tatsache, dass sie derzeit noch eine erhöhte Betriebstemperatur benötigen, die durch Heizelemente und mit Batteriestrom erzeugt werden muss. Es ist also noch einiges an Wegstrecke zurückzulegen in den Labors und Ingenieurbüros. Auch wenn Batterie-Befürworter in naher und mittlerer Zukunft wohl mit bereits erprobter Lithium-Ionen-Technologie am besten fahren, könnten Feststoffbatterien zum „Turbo“ für die gesamte E-Mobility-Branche werden.

Was ist mit Wasserstoff?

Doch müssen Batterien die Mobilitätswende ganz allein bewerkstelligen? Im Wettstreit der Technologien sehen einige Konzepte vor, dass die Batterie nicht als alleinige Energiequelle an Bord eines E-Autos dient. Sie propagieren das Tandem aus Batterie und Brennstoffzelle. Auch für Prof. Winter ist das eine „sehr überlegenswerte Sache“, wenn auch unter gewandelten Vorzeichen. „Vor Jahren dachte man noch, die Batterie werde zum Anhängsel der Brennstoffzelle. Mittlerweile ist es umgekehrt. Die Hauptleistung kommt von der leistungsstärkeren Batterie und Brennstoffzellen mit dem ‚Energielieferanten’ Wasserstoff agieren als Reichweitenverlängerer.“

Eine weitere denkbare Option ist ein ausschließlich mit Wasserstoff betriebenes Fahrzeug. Um es in Erinnerung zu rufen: Auch Brennstoffzellen- oder Wasserstoff-Fahrzeuge sind Elektroautos. Nur beziehen sie den für den Elektromotor nötigen Strom nicht aus einer Batterie, sondern aus einer Brennstoffzelle. Ihr großer Vorteil: Die Fahrzeuge scheiden lokal nur Wasser bzw. Wasserdampf aus. Außerdem lassen sie sich in nur wenigen Minuten betanken. Eine flächendeckende Versorgung mit Wasserstoff liegt allerdings noch in weiter Ferne. Bleibt die Frage nach dem Wasserstoff. Stellt man ihn mittels Elektrolyse aus Wasser her und verwendet dazu ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien, sind Wasserstoff-Antriebe tatsächlich emissionsfrei. Rechnet man die Öko-Bilanz des aktuellen deutschen Strommix hinein, stoßen sie 121 g/km CO2 aus.

Nichts brennt in der Brennstoffzelle

Brennstoffzellen erzeugen aus Wasserstoff elektrischen Strom. Ihr Herzstück ist die MEA, die Membran-Elektroden-Einheit. Sie besteht aus Kathode, Anode und beschichteter Polymer-Membran. An ihrem Minuspol wird Wasserstoff und am Pluspol Sauerstoff, der durch Lufteinlässe zuströmt, zugeführt. Auf beiden Seiten beschleunigt eine Katalysatorbeschichtung, etwa Platin, die elektrochemische Reaktion, die den Stromfluss unterhält, der den E-Motor speist. Emittiert werden lediglich Wasser und Abwärme.

Die neue Leichtigkeit

Unabhängig von der Antriebsart – je leichter ein Fahrzeug ist, desto weniger Energie muss für seinen Antrieb aufgebracht werden, Strom- bzw. Kraftstoffverbrauch sinken, während die Reichweite steigt. Bei E-Autos kommt dem Leichtbau aus zwei Gründen eine zusätzliche Bedeutung zu. Zum einen wegen ihrer im Vergleich zum Verbrenner (noch) geringeren Reichweite. Zum anderen weil das hohe Batteriegewicht von mehreren Hundert Kilogramm möglichst gut kompensiert werden muss. Mit Kunststoffen, die heute etwa 15 Prozent des durchschnittlichen Fahrzeuggewichts ausmachen, und Klebstoffen, die zusehends das Schweißen und Schrauben ersetzen, senkt die Chemie schon heute den „Heavy-Metal-Anteil“ im Automobilbau. Jetzt steuert sie auch Carbon zu dieser Diät bei. Diese kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) ermöglichen komplexe Bauteil-Designs und überzeugen durch eine hohe Steifigkeit – vor allem aber durch ihr geringes Gewicht. Carbon ist 50 bis 80 Prozent leichter als Stahl und 30 Prozent leichter als Alu. Deshalb wiegt die komplette CFK-Fahrgastzelle eines deutschen E-Autos nur 150 kg, ein Oberklasse-Modell dieses Herstellers ist dank Carbonanteilen 130 kg leichter als seine Vorgänger. Ganze Karosserien rein aus CFK sind dabei eher die Ausnahme. Das Material wird immer häufiger im Verbund mit anderen Materialien wie Stahl und Alu eingesetzt und sehr gezielt dort verbaut, wo es den maximalen Nutzen hat. In Strukturbauteilen am Dach beispielsweise hilft es nicht nur Gewicht zu sparen, sondern auch den Schwerpunkt des Fahrzeugs nach unten zu verlagern. Interessant ist Carbon auch in den energieabsorbierenden Fahrzeugteilen („Knautschzonen“), weil es beim Verformen deutlich mehr Energie aufnimmt als Stahl. CFK verringern also das Fahrzeuggewicht und helfen, Sicherheit und Fahrdynamik weiter zu verbessern. Aber: Wenn aus Carbon Autos entstehen, wie entsteht eigentlich Carbon?

Carbon: Von der Faser zum Fahrzeugteil

Ein Carbonfaden („Roving“) besteht aus bis zu 50.000 einzelnen Kohlenstofffasern. Jede von ihnen ist nur 0,007 mm dick (zum Vergleich: 0,05 mm misst ein menschliches Haar im Schnitt). Aus den Fäden werden textile Gelege und andere Zwischenprodukte gefertigt, die zugeschnitten und durch Heizelemente in Form gebracht werden. Anschließend werden die Rohlinge mit Kunstharz getränkt und zu fertigen Bauteilen ausgehärtet. Der letzte Schritt wird unter anderem in speziellen Presswerkzeugen durchgeführt. Weil sie mit exakt dosiertem Druck, Zeit und Temperatur arbeiten, ist ein nachträgliches Härten im Ofen nicht notwendig.

Carbon

50- 80%

leichter als Stahl ist der Hightech-Werkstoff

Fahrzeugbau

150kg

leicht ist die erste komplette CFK-Fahrgastzelle

Kunststoffe

15%

des Fahrzeuggewichts machen sie im Schnitt aus

Chemie-Innovationen für die Mobilität von morgen

2001

Kalt verbrannt

Innovation: Erste Brennstoffzelle im Alltagstest Vorteil: Eine saubere Idee kommt auf die Straße

2013

Die Carbon-Diät

Innovation: Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) Vorteil: Der Werkstoff macht vieles leichter. Auch Elektroautos.

2014

Treibstoff Wasserstoff

Innovation: Brennstoffzellen im Serienfahrzeug Vorteil: Vorne arbeitet die Chemie. Hinten raus kommt nur Wasser.

2019

Weniger Widerstand

Innovation: Urethane für Reifen Vorteil: Sinkt der Rollwiderstand, sinkt der Verbrauch. Egal, was und wie man fährt.

2025

Fix wieder voll

Innovation: Hochleistungs-Kathodenmaterialien Vorteil: Einen Mittelklasse-E-Pkw 600 km weit fahren und danach in nur 15 Minuten wieder aufladen

Chemie kann noch viel mehr.Jetzt entdecken
Bild: © Robert EikelpothBild oben: © gettyimages/german-imagesBild unten: © Robert EikelpothGrafik: © iStock/rbiedermannBild: © Robert EikelpothBild: © Robert Eikelpoth© gettyimages/Jennifer_Sharp© gettyimages/Miemo Penttienen - miemo.net© SGL Carbon© gettyimages/gradyreese
Auch mit Wasserstoff betriebene Autos sind E-Autos – allerdings fabrizieren sie ihren Strom an Bord, statt ihn aus einer Batterie zu entnehmen. Das passiert in der Brennstoffzelle, in der aus Wasserstoff (getankt) und Sauerstoff (aus der Umgebungsluft) elektrischer Strom gewonnen wird. Dieses Prinzip brachte 2001 einen 55 kW starken Kleinbus auf seiner 16.000 km langen Testfahrt zuverlässig voran.
CFK fand man früher bestenfalls in Sportwagen. Und auch dort nur in einzelnen Bauteilen. Seit 2013 werden aus dem leichten, steifen und vielseitig formbaren Material auch die Fahrgastzellen von E-Autos gefertigt. Durch das reduzierte Gewicht – Carbon ist 50 bis 80 Prozent leichter als Stahl – steigt die Reichweite der Stromer.
Die Herzkammern von Brennstoffzellen sind die sogenannten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA). Am Plus- und Minuspol beschleunigt eine Katalysatorbeschichtung, zum Beispiel Platin, die elektrochemische Reaktion, bei der aus Wasserstoff Strom entsteht. Als Emissionen fallen nur Wärme und Wasser an.
Ob E-Scooter oder SUV: Für die optimale Bereifung liefert die Chemie den besten Kompromiss aus Haftung (Grip), Langlebigkeit und geringem Rollwiderstand. Dazu kommen neben Urethanen auch synthetische (Neodym-)Kautschuke, Silica-Verbindungen und Füllstoffe zum Einsatz. Verbrauchsoptimierte Autoreifen senken den Rollwiderstand um bis zu 40 Prozent – und den Verbrauch um bis zu fünf Prozent.
In Li-Ionen-Batterien werden Nickel, Kobalt sowie Mangan oder Aluminium für die Kathode verwendet. Der ausgeklügelte Mix an verschiedenen Metallen und eine optimierte Anordnung und Oberflächenbeschaffenheit der nur Mikrometer messenden Kügelchen im Kathodenmaterial beeinflussen die Performance der Batterie positiv.
Chemie-Innovation