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Jetzt kommt Bewegung in die E-Mobilität

Kosten, Gewicht und Reichweite deutlich verbessert
Jetzt kommt Bewegung in die E-Mobilität

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Auf dem Weg zu einer CO2-freien E-Mobilität sind die Hindernisse noch immer sehr groß. Zwar haben die Automobilhersteller mit Hybridfahrzeugen, Range Extender und Elektrofahrzeugen für den Stadtverkehr erste Schritte in Richtung CO2-Reduzierung getan, aber für den Massenmarkt reicht das bei Weitem noch nicht aus.

Der Autor: Dr.-Ing. Rolf Langbein, freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion

Mit dem Brennstoffzellenauto Mirai bringt Toyota jetzt das erste serienmäßige Fahrzeug mit Wasserstoffantrieb auf den Markt. In der Brennstoffzelle wird Wasserstoff in elektrische Energie umgewandelt, die den 113 kW/154 PS starken Elektromotor antreibt. Als Emission entsteht lediglich Wasserdampf. Mit rund 550 km erzielt die Limousine eine ähnliche Reichweite wie konventionell angetriebene Fahrzeuge und auch der Tankvorgang dauert mit etwa drei Minuten nicht wesentlich länger.
Kostentreiber Platin
Das klingt zwar alles gut, aber der Preis von 78.540 Euro sowie die fehlende Infrastruktur für das Tanken werden eine schnelle breitere Einführung dieses Fahrzeuges kaum ermöglichen. Verantwortlich für den hohen Preis ist die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) des Brennstoffzellensystems, die den Wasserstoff in elektrische Energie umsetzt. Das dort als Katalysator eingesetzte teure Edelmetall Platin ist dabei der größte Kostentreiber. Daher ist die Entwicklung nahezu platinfreier Brennstoffzellen ein Forschungsschwerpunkt vieler Automobilhersteller.
Kritiker halten auch die Aussage, mit der Brennstoffzelle sei das CO2-freie Fahren realisiert, für falsch. Wird nämlich die Herstellung des Wasserstoffs in eine Gesamtbetrachtung mit einbezogen, dann fällt in diesem energieintensiven Herstellungsprozess durchaus CO2 an. 2014 kam die Roland Berger Strategy Consultants in einer Studie zu dem Ergebnis, Platin mache die Brennstoffzelle zu teuer. Daher sei mittelfristig nicht damit zu rechnen, dass die Brennstoffzelle als Antriebssystem über ein Nischendasein hinauskommen könne. Und Wolfgang Bernhart, Partner von Roland Berger Strategy Consultants, zieht daraus als Fazit: „Auf absehbare Zeit werden daher wohl eher batteriebasierte und hybride Antriebsstränge die Hauptrollen auf dem Weg zur Null- Emissions-Mobilität spielen.“
Forscher am ZSW entwickeln Kathodenmaterial
Allerdings weisen auch Energiespeicher wie die Lithium-Ionen-Batterie noch erhebliche Defizite auf. Zu schwer, zu teuer, zu geringe Energiedichten (-Reichweiten) und zu lange Ladezeiten, das sind bisher Argumente, die gegen eine schnell zu realisierende E-Mobilität sprechen. Aber es zeichnen sich Fortschritte ab. So lässt eine Pressemitteilung des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Anfang Oktober aufhorchen. Dort haben Wissenschaftler ein neues Kathodenmaterial für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien mit herausragenden Eigenschaften entwickelt. Das Lithium-Nickel-Manganoxid erreicht eine bis zu 40 Prozent höhere Energiedichte als bisherige Materialien. Kostengünstiger ist das Material außerdem: Es verzichtet auf das teure und seltene Kobalt und nutzt weniger Nickel. Darüber hinaus ist es einfach zu produzieren.
Die Entwicklung einer günstigen und sicheren Hochenergiebatterie, mit der Elektroautos länger fahren können, rücke damit in Reichweite, so das ZSW. „Unser lithiiertes, cobaltfreies Lithium-Nickel-Manganoxid ist ein vielversprechendes neues Material für Elektrofahrzeugbatterien“, sagt Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens, Leiterin des ZSW-Fachgebiets Materialforschung Akkumulatoren. „Die Kapazität und Energiedichte sind höher, die Kosten geringer und die Produktion auf industrielle Größen hochskalierbar“, betont sie.
Hoffnungsträger Lithium-Schwefel-Batterie
Vielversprechend für die Zukunft der E-Mobilität sind die Forschungsergebnisse mit Lithium-Schwefel-Batterien. Sie gelten als die Hoffnungsträger für eine in Zukunft weitgehend CO2-freie Mobilität. Wissenschaftler am Fraunhofer IWS in Dresden arbeiten seit mehr als fünf Jahren an der Entwicklung geeigneter Elektrodenmaterialien und Produktionsverfahren für eine kostengünstige Hochenergiezelle auf Basis der Lithium-Schwefel-Technologie. Gravimetrische Energiedichten zwischen 250 und 350 Wh/kg werden für diesen Zelltyp heute erreicht. Das entspricht der bis zu 1,5-fachen Energiedichte derzeitiger Lithium-Ionen-Batterien. „Das Potenzial bei der Weiterentwicklung der Lithium-Schwefel-Zellen ist aber noch viel höher“, prognostiziert Dr. Holger Althues, Abteilungsleiter Chemische Oberflächentechnologie am Fraunhofer IWS. Erwartet werden Energiedichten über 400 Wh/kg. „Die volumetrische Energiedichte wird dabei jedoch nicht viel größer sein als bei einem Lithium-Ionen-Akku“, fügt er hinzu. Für Elektrofahrzeuge bedeute diese Steigerung der spezifischen Energie eine erhebliche Gewichtseinsparung und damit auch eine Steigerung der bisher viel zu geringen Reichweiten.
Aber das ist nur ein Aspekt bei der Entwicklung der Lithium-Schwefel-Batterien. Bei Lithium-Ionen-Batterien waren bei verhältnismäßig geringer Leistung Gewicht und Kosten deutlich zu hoch. Das soll sich mit der Lithium-Schwefel-Batterie ändern. „Die teuerste Komponente des Lithium-Ionen-Akkus ist das bisher als Kathodenmaterial eingesetzte Metalloxid, das neben Lithium, Nickel und Mangan auch Kobalt enthält“, erklärt Dr. Althues. Dieses mache rund 25 % der Zellkosten aus. „Das wird in der Lithium-Schwefel-Zelle durch den weltweit nahezu unbegrenzt verfügbaren und kostengünstigen Schwefel abgelöst“, ergänzt er. Darüber hinaus lassen sich auf Basis der Lithium-Schwefel-Technologie Batterien mit deutlich reduziertem Gewicht bei gleichem Energieinhalt und Volumen herstellen.
Marktkonforme Preise als Ziel
Mit Blick auf einen möglichen Einsatzzeitpunkt von Lithium-Schwefel-Batterien gibt Dr. Althues zu bedenken: „Noch sind Lebensdauer und volumetrische Energiedichte unzureichend für den Einsatz in Elektrofahrzeugen.“ Neue Elektrolyte und effektive Maßnahmen zum Schutz der Anodenoberfläche versprächen aber deutliche Steigerungen von Stabilität und volumetrischer Energiedichte.
Ein weiteres Forschungsprojekt (DryLIZ) am Fraunhofer IWS zielte auf die Reduzierung der Fertigungskosten bei der Batteriezellenfertigung. Beeindruckendes Ergebnis des jetzt abgelaufenen Projektes ist die deutliche Reduzierung der Bearbeitungszeiten zur Elektrodenkonfektionierung und der Prozesskosten. Dabei strebten die Forscher an, den Zuschnitt der Elektroden so auszulegen, dass geschnitten werden kann, ohne das Material anhalten zu müssen. „Pro Sekunde einen Zuschnitt zu erhalten und diesen auch entsprechend schnell auf einen Elektrodenstapel abzulegen, war eine große Herausforderung für das Institut und seine Projektpartner“, meint Dr. Philipp Thümmler, Leiter des Forschungsprojektes. Durch weitere Verbesserungen im Prozessablauf sei sogar eine nochmalige Reduzierung der Bearbeitungszeit um 50 Prozent denkbar.
Diese Entwicklungen zeigen, dass schon in den nächsten Jahren Batterien für Elektroautos mit deutlich höherer Energiedichte und marktkonformen Preisen die E-Mobilität nach vorne bringen und beschleunigen werden.
Toyota, Tel.: 02234 102-2225
Fraunhofer IWS, Tel.: 0351 83391-3476 holger.althues@iws.fraunhofer.de
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