Welche Akku-Größe ist beim Elektroauto noch sinnvoll?

[TY12]

Hallo,
habe gerade in der c't einen Bericht über eine Batterie mit Silizium als Anodenwerkstoff gelesen. Die Energiedichte wird damit 10x höher als bei einer Li-Ionen Batterie mit Graphitelektrode! (-> Dr. Sandra Hansen, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) Wenn in 8 - 10 Jahren der Akku von meinem Golf 300 vielleicht ausgelutscht ist, kann ich mit einem Ersatzakku von locker 60 kWh rechnen. Was will man mehr?
Akkus mit 100 kWh sind dann problemlos realisierbar. Da kann das BEV von groß bis klein sein!
Gruß Rudi

[TY12]

Hallo,
habe gerade in der c't einen Bericht über eine Batterie mit Silizium als Anodenwerkstoff gelesen. Die Energiedichte wird damit 10x höher als bei einer Li-Ionen Batterie mit Graphitelektrode! (-> Dr. Sandra Hansen, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) Wenn in 8 - 10 Jahren der Akku von meinem Golf 300 vielleicht ausgelutscht ist, kann ich mit einem Ersatzakku von locker 60 kWh rechnen. Was will man mehr?
Akkus mit 100 kWh sind dann problemlos realisierbar. Da kann das BEV von groß bis klein sein!
Gruß Rudi

Für die Leseratten unter Euch:

Weitere Informationen zum Projekt:

Das Problem der Ausdehnung von Silizium

Alle Batterien dehnen sich beim Auf- und Entladen aus. Grund dafür sind die Lithium-Ionen, die sich dabei zwischen ihren Elektroden bewegen. Silizium als das Material mit der höchsten Energiedichte nimmt besonders viele Lithium-Ionen auf. Das führt zu einer extremen Ausdehnung um bis zu 400 Prozent. Zum Vergleich: Eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie dehnt sich um ca. 150 Prozent aus. Auf Dauer zerbricht das empfindliche Silizium und die ganze Batterie wird dadurch unbrauchbar. Um genug Energie für den Antrieb von E-Autos speichern zu können, müssten Siliziumbatterien sogar noch größer werden, was die Ausdehnungsproblematik zusätzlich verstärkt.

„Damit wir die Zyklenfestigkeit von Siliziumbatterien, also ihre Lebensdauer, erhöhen können, müssen wir genau verstehen, was bei der Ausdehnung passiert“, sagt Hansen. In ihrer Promotion, die kurz vor dem Abschluss steht, hat die 30-Jährige über Anoden mit flexiblen Drähten aus Silizium geforscht. Ihre Erkenntnisse will sie im Forschungsprojekt PorSSi auf poröses Silizium übertragen und es mechanisch genauso stabil machen wie ihre Drahtanoden. Poröses Silizium hat den Vorteil, dass sein freies Volumen mehr Raum zum Ausdehnen lässt. Außerdem hat Hansen eine Möglichkeit mitentwickelt, die Kupferelektroden in der Batterie stabil mit Anoden aus porösem Silizium zu verbinden, damit sie beim Ausdehnen nicht abreißen. „Hochleistungsanoden brauchen auch Hochleistungsanschlüsse“, sagt Hansen, die ein Patent auf diese Kontaktierungsmethode hält.

Auf dem Weg zur industriellen Produktion

Für eine sinnvolle Reichweite sollten Batterien in Elektroautos eine Lebensdauer von mindestens 1000 Ladezyklen haben, so die Annahme der Forscher. Die Anoden aus Siliziumdraht, die Hansen in ihrer Doktorarbeit entwickelt hat, brachten es in ersten Tests bereits auf 500 Ladezyklen. „Die Anoden zeigen im Labormaßstab unglaublich gute Kennwerte. Nach einem halben Jahr durchgängigen Auf- und Entladens funktionieren sie immer noch – und das mit einer deutlich höheren Speicherkapazität als die bisherigen Batterien in Elektroautos“, sagt Hansen. Von Anoden aus porösen Silizium erhofft sie sich nicht nur eine noch längere Lebensdauer, sondern auch eine kostengünstigere Herstellung.

Die Lebensdauer der Siliziumbatterien will das Kieler Forschungsteam mit einer speziellen Qualitätskontrolle bei der Herstellung weiter verbessern. Gefertigt werden Siliziumanoden aus einem sogenannten Wafer, einer flachen Scheibe. Die Oberfläche wird per Lithographieverfahren auf Nanoebene strukturiert, um ihr bestimmte Eigenschaften zu geben. „Wenn wir Silizium für Batterien auf großen Flächen herstellen wollen, brauchen wir eine entsprechend gute Charakterisierungsmethode. Nur wenn das Ätzverfahren gut ist, wird auch Batterie gut,“ so Hansen. Dafür entwickelte sie eine Methode zur Qualitätskontrolle weiter, die vorher für Solarzellen genutzt wurde. Nach der Ätzung kann sie damit die Waferoberfläche rein optisch und über einen zeitlichen Verlauf prüfen, ohne sie zu beschädigen. So lassen sich ungleichmäßige Stellen ausmachen, die die Anodenleistung verringern. Die dafür verantwortlichen Parameter können anschließend im Herstellungsprozess präzise angepasst werden. „Noch dauert dieser Prozess recht lange und ist sehr teuer. Wenn wir es schaffen, ihn von einer Siliziumscheibe auf eine poröse Folie zu übertragen, könnte man sie in nur wenigen Minuten ätzen“, sagt Hansen. Durch die Zusammenarbeit mit der Firma RENA fließen die Forschungserkenntnisse direkt in die Entwicklung von neuen Ätzungsanlagen an. Ein Prototyp wird im Laufe des Projektes gefertigt und an der Technischen Fakultät in Kiel aufgebaut.

„Eigentlich ist die Batterieproduktion im Moment nur in Asien zu finden. Aber mit einem neuen Herstellungskonzept könnte man sie auch in anderen Regionen wieder ansiedeln und vielleicht auch die Fertigung in Deutschland pushen“, glaubt Carstensen. „Bis wir Siliziumanoden in Autobatterien verbauen können, ist es noch ein weiter Weg, aber mit diesem Projekt gehen wir einen großen Schritt.“

Projektinformationen:
Projekttitel: Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern (PorSSi)
Förderdauer: 01.09.2017 – 31.08.2020
Fördersumme: Eine Millionen Euro (500.000 Euro in Kiel)
Projektpartner: RENA Technologies GmbH
Koordination: Benedikt Straub, RENA Technologies GmbH
Projektleiter: Sandra Hansen, Universität Kiel
BMBF-Förderlinie: „Batteriematerialien für zukünftige elektromobile und stationäre Anwendungen (Batterie 2020)“

Beim Laden der Batterie dehnt sich Silizium um 400 Prozent aus, das empfindliche Material könnte dabei zerbrechen. Weitaus flexibler ist es in Form von solchen Mikrodrähten wie Hansen in ihrer Doktorarbeit zeigen konnte. Aber diese Art der Herstellung ist noch zu teuer für die industrielle Produktion. Die Ergebnisse dazu erschienen im Journal of Power Sources.
Foto/Copyright: Sandra Hansen, Uni Kiel

Foto zum Herunterladen:
www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-266-5.png

[Helfried]

Wenn in 8 - 10 Jahren der Akku von meinem Golf 300 vielleicht ausgelutscht ist, kann ich mit einem Ersatzakku ... rechnen.

Nie im Leben.
It's a VW.

[just_cruise]

Hallo,
habe gerade in der c't einen Bericht über eine Batterie mit Silizium als Anodenwerkstoff gelesen. Die Energiedichte wird damit 10x höher als bei einer Li-Ionen Batterie mit Graphitelektrode...

...aber eben nur beim MINUSpol der Zellen (meistens als Anode bezeichnet, da der Minuspol beim ENTladen ANode ist - beim Laden ist es umgekehrt, d.h. da ist der Minuspol Kathode).
Das entscheidende bzgl. der Energiedichte sind aber die PLUSpole der Zellen (= KATHoden beim ENTladen, deshalb werden die PLUSpole meistens als KATHoden bezeichnet). Hier ist die (gravimetrische) Energiedichte (in Ah/kg bzw. Wh/kg) etwa um eine Zehnerpotenz geringer. D.h. nur bei den Minuspolen die Energiedichte zu verbessern bringt nicht viel. Leider.

[TY12]

Nie im Leben.
It's a VW.

Dieser Ansatz ist mir zu pessimistisch
Gruß Rudi

[TY12]

... D.h. nur bei den Minuspolen die Energiedichte zu verbessern bringt nicht viel. Leider.

Das gab es auch noch zu lesen. Hilft Dir das weiter? Ich habe zu wenig Ahnung von der Materie. Klingt für mich aber so, dass in dem Bereich noch erhebliche Fortschritte zu erwarten sind!
Gruß Rudi

Für die flächendeckende Nutzung von Elektroautos fehlen noch immer kostengünstige Batterien, die genug Energie speichern können. Als besonders vielversprechendes Material, um die Leistung von Batterien zu steigern, gilt Silizium. Um in Elektroautos eingesetzt zu werden, ist der Halbleiter allerdings mechanisch nicht stabil genug. Ein gemeinsames Projekt der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Firma RENA Technologies GmbH aus Baden-Württemberg will die Siliziumbatterie jetzt mit einem neuen Ansatz zur Marktreife bringen. Am 1. September startet das Forschungsvorhaben, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt einer Millionen Euro gefördert wird, rund 500.000 davon gehen an die CAU. Kieler Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler verbinden in dem Projekt „Entwicklung und Charakterisierung von großflächigen, porösen Si-Film-Anoden für Lithium-Schwefel-Silizium-Energiespeichern“ (PorSSi) ihre Forschungserkenntnisse zu porösen Siliziumanoden mit Erfahrungen aus der Solartechnik. So soll in den nächsten drei Jahren nicht nur eine hochleistungsfähige Siliziumbatterie entstehen, sondern in Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller für die Halbleiter- und Solarbranche auch ein Konzept, um sie in großem Maßstab industriell herzustellen.

„Die ganze regenerative Energie wartet auf die bessere Batterie“, sagt Dr. Jürgen Carstensen vom Institut für Materialwissenschaft. Mit ihrem Projekt zur Siliziumbatterie will die Kieler Forschungsgruppe dem einen großen Schritt näherkommen. CAU-Projektleiterin Sandra Hansen ergänzt: „Theoretisch ist Silizium das beste Material für Anoden in Batterien, allerdings bringt es zahlreiche Probleme mit sich. Aber durch unsere bisherigen Forschungen haben wir gelernt, mit diesen Störfaktoren umzugehen.“ Silizium zählt schon lange zu den Hoffnungsträgern für die Elektromobilität, denn es kann bis zu zehnmal mehr Energie speichern als die Graphit-Anoden in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Doch die Lebensdauer von Siliziumanoden war bisher zu gering: Beim Laden der Batterie dehnt sich das Silizium extrem stark um 400 Prozent aus und kann dadurch leicht brechen.

Am Kieler Institut für Materialwissenschaft der Technischen Fakultät wird schon lange zu Silizium geforscht. Seit Anfang der 1990er Jahre unter Gründungsdekan Professor Helmut Föll arbeiten Forschungsgruppen an Siliziumanoden und stellen poröses Silizium und Siliziummikrodrähte her. Die Erkenntnisse daraus fließen in das neue Forschungsprojekt PorSSi ein. Am Ende sollen die Batterien der Kieler Forschenden 100 Prozent Silizium enthalten und das Energiepotenzial von Batterien damit maximal ausschöpfen. Herkömmliche Batterien bestehen bisher gerade einmal aus etwa 5 Prozent Silizium. Die Kathode in ihrer Batterie, den Gegenpart zur Anode, will das Team aus Schwefel herstellen. „Eine Schwefelkathode bietet die maximal mögliche Speicherkapazität. Wir kombinieren in diesem Projekt also zwei Materialien, die eine wirklich hohe Leistungsfähigkeit der Batterie versprechen“, sagt Hansen. Außerdem hat die Materialwissenschaftlerin eine Methode aus der Solarbranche weiterentwickelt, um die Qualität und Funktionsfähigkeit der Siliziumschichten in der Batterie zu verbessern.

Innerhalb der Kooperation von CAU und RENA als Experten für nass-chemische Ätz-und Beschichtungsanlagen werden die „jahrzehntelange Erfahrung der CAU-Grundlagenforschung höchst effizient mit der industriellen Prozess- und Anlagenentwicklungs-Expertise von RENA vereint“, betont Dr. Holger H. Kühnlein, Senior Vice President Technology der RENA Technologies GmbH. So soll eine leistungsfähige Siliziumbatterie mit hoher Lebensdauer entstehen, die industriell hergestellt werden kann. Professor Rainer Adelung leitet die Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien an der CAU, in der viele der bisherigen Erkenntnisse gewonnen wurden. Auch er freut sich über die Zusammenarbeit: „Wir entwickeln und realisieren hier Ideen mit einem der weltweit führenden Anlagenhersteller. So bekommen wir Erkenntnisse aus der universitären Grundlagenforschung schnellstmöglich in die industrielle Anwendung – das ist wirklicher Innovationstransfer.“

[JuergenII]

Warum nennst Du SUV und Kombi in einem Atemzug, als ob ein Kombi auch so eine fahrende Schrankwand mit trotzdem oft wenig Nutzwert wäre.
Und wie willst Du 500 Liter in einen Hatchback und die Hutablage kriegen?

Schau Dir mal den alten C5 von Citroën ab dem Baujahr 2001 an https://www.auto-motor-und-sport.de/cit ... che-daten/.

Der hatte ein Kofferraumvolumen von 456 Litern als Hatchback. Man nehme die gleiche Länge (4,61 Meter), verkürze die Motorhaube um die Hälfte und schon dürfte man locker 500 Liter Kofferraum haben sofern er wirklich als EV konstruiert ist und Kofferraum und Frunk hat.

Und ich nenne Kombi und SUV in einem Atemzug, weil ich die sinnvollere Lösung eigentlich im 5-Türer sehe. Wenn gut gemacht sieht er mehr wie eine Limousine aus, wird aber bei Bedarf zum Lastenesel.

Ich bin den Wagen jahrelang gefahren. So was von sparsam und zuverlässig. Ich traure dem immer noch nach, vor allem die HP war ein Genuss, wenn auch nicht mehr ganz so komfortabel wie die legendäre Göttin.

[Karlsson]

Der hatte ein Kofferraumvolumen von 456 Litern als Hatchback.

Nein. Ein Golf ist ein Hatchback. Der C5 war eine

Und ich nenne Kombi und SUV in einem Atemzug, weil ich die sinnvollere Lösung eigentlich im 5-Türer sehe. Wenn gut gemacht sieht er mehr wie eine Limousine aus, wird aber bei Bedarf zum Lastenesel.

Das Fließheck ist nicht gleichwertig zum Kombi. Wobei ich Dir aber insofern recht gebe, dass man in so einer Form viel unterbringen kann. Wir hatten mal einen Octavia als Limousine, da war der Kofferraum in der Tat echt riesig.
Der Kombi hat dazu aber noch eine ebene Ladefläche bei umgelegten Sitzen, keine Ladekante und eben mehr Platz nach oben. Zb für große Hunde (hatten wir in der Familie) oder Kinderwagen. Für die großen Hunde waren die Volvo Kombis top.

[fiedje]

Die vielen Aspekte sind sehr interessant.
Wenn die Akkus nun immer größer werden, aber die Ladestationen nicht alle mit entsprechender Leistung für X Fahrzeuge ausgerüstet sind/werden könnnen, dann bedeutet jedes Fahrzeug mit größerem Akku automatisch für die anderen eine längere Wartezeit. Macht dann aber auch nicht viel Spaß.

[Karlsson]

Wenn die Akkus nun immer größer werden, aber die Ladestationen nicht alle mit entsprechender Leistung für X Fahrzeuge ausgerüstet sind/werden könnnen, dann bedeutet jedes Fahrzeug mit größerem Akku automatisch für die anderen eine längere Wartezeit.

Warum?
Bei vielen längeren Strecken muss man doch mit dem größeren Akku gar nicht mehr laden und fährt direkt ans Ziel. Und wenn man doch laden muss, muss man weniger laden, weil man mit der ersten Akkufüllung (also dem vor der Tour geladenen Strom) schon weiter gekommen ist.
Momentan benötigt man außerdem relativ enge Fenster bei den Abständen zwischen den Säulen, weil manche so nah sind, dass man noch nicht wieder sinnvoll laden kann und andere sind so weit weg, dass man sie gar nicht erreichen kann oder es besteht zumindest ein Risiko.
Mit dem größeren Akku kann man die Infrastruktur daher besser nutzen. Auch weil man länger eine hohe Leistung ziehen kann.