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Ein Leitfaden zu den neuesten Batterieentwicklungen
Elektrofahrzeuge, Hybride und erneuerbare Energien haben mindestens eines gemeinsam – wenn sie jemals weiter verbreitet werden und den Großteil der Autos auf den Straßen oder einen großen Anteil an der Stromversorgung ausmachen, müssen die Batterien deutlich besser werden . Batterien müssen mehr Energie speichern, sie schneller und zuverlässiger liefern und letztendlich deutlich weniger kosten. Die spezifischen Möglichkeiten zur Verbesserung von Batterien variieren je nach Anwendung, aber in all diesen Bereichen haben die Forscher erhebliche Fortschritte gemacht.
Letzte Woche kündigten MIT-Forscher unter der Leitung von Yang-Shao Horn , Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen sowie Maschinenbau, und Paula Hammond, Professorin für Chemieingenieurwesen, einen neuen Ansatz für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien an, die nützlich sind für Hybridfahrzeuge oder zur Stabilisierung des Stromnetzes. Hochleistungsbatterien nehmen die Ladung schnell auf und liefern sie schnell. Bei Hybriden besteht das Ziel darin, den Ottomotor so zu ergänzen, dass er möglichst effizient läuft. Die Batterie treibt das Auto bei niedrigen Geschwindigkeiten für kurze Strecken an und erhöht die Beschleunigung, wodurch die Belastung des Motors verringert wird. Es fängt auch Energie beim Bremsen ein, die sonst als Wärme verloren gehen würde. Für das Stromnetz könnten solche Batterien Änderungen von Stromangebot und -nachfrage puffern – etwas, das mit der Einführung variablerer Stromquellen wie Wind- und Solarenergie immer wichtiger wird.
Die MIT-Forscher demonstrierten eine neue Batterieelektrode auf Basis speziell behandelter Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die Tausende von Zyklen ohne Leistungsverlust übersteht. Aus diesen Elektroden hergestellte Batterien könnten genug Leistung liefern, um beispielsweise große Lieferwagen oder Müllwagen anzutreiben, ohne dass die Batterien zu schwer wären, um praktikabel zu sein. (Die Forscher müssen die Dicke der Elektroden erhöhen, damit sie für diese Anwendungen geeignet sind.) Unternehmen wie A123 Systems mit Sitz in Watertown, MA, haben auch sehr leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien und andere akademische Gruppen entwickelt und Startups entwickeln Ultrakondensatoren auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die Energie mit einem anderen Mechanismus als Batterien speichern, der besonders nützlich für hohe Leistung und lange Lebensdauer ist.
Während die neuen Elektroden irgendwann für Hybride und zur Stabilisierung des Netzes nützlich sein könnten, sind sie für andere Anwendungen wie vollelektrische Fahrzeuge nicht besonders gut. Bei Elektrofahrzeugen ist die Gesamtenergiemenge, die Batterien speichern, wichtiger als die Geschwindigkeit, mit der diese Energie geliefert werden kann, da die Gesamtmenge bestimmt, wie weit diese Autos zwischen den Ladevorgängen fahren können. Die MIT-Forscher, die die neuen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden entwickelt haben, entwickeln auch einen anderen Batterietyp, um große Energiemengen zu speichern. Die als Lithium-Luft-Batterie bezeichnete Technologie, bei der eine der beiden Elektroden einer Batterie durch eine Schnittstelle zur Luft ersetzt wird, hat in letzter Zeit große Mengen staatlicher Mittel und Interesse von Unternehmen wie IBM auf sich gezogen. Theoretisch könnten solche Batterien dreimal so viel Energie speichern wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Das Design weist jedoch eine Reihe von Problemen auf, die eine Kommerzialisierung erschweren, darunter die Anfälligkeit der aktiven Materialien gegenüber Feuchtigkeit (das verwendete Lithiummetall kann Feuer fangen, wenn es nass wird) und die Tendenz der Batterien, nach dem Aufladen nicht mehr zu funktionieren einige Male.
Wie Lithium-Luft-Batterien stehen auch andere potenzielle Hochenergie-Batterietechnologien vor einer Reihe von Hürden, die erklären könnten, warum Hybride mit ihren Hochleistungs- statt Hochenergiebatterien erfolgreicher waren als Elektrofahrzeuge. Viele der vielversprechendsten Batteriechemien sind in großem Maßstab zu schwer herzustellen, zerfallen nach wenigen Zyklen oder sind zu teuer. Nach Angaben des US-Energieministeriums kosten komplette Akkupacks heute zwischen 800 und 1.200 US-Dollar pro Kilowattstunde und speichern etwa 100 bis 120 Wattstunden pro Kilogramm. Um Elektrofahrzeuge praktisch und erschwinglich zu machen, möchte das DOE die Kosten auf 250 US-Dollar pro Kilowattstunde senken und die Speicherkapazität auf über 200 Wattstunden pro Kilogramm erhöhen. (Um diese Ziele zu erreichen, werden noch höhere Speicherkapazitäten für die einzelnen Batteriezellen benötigt, aus denen sich Batteriepacks zusammensetzen – etwa 400 Wattstunden pro Kilogramm.)
Während die Verbesserung von Batterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge schwierig ist, besteht eine der größten langfristigen Herausforderungen für Batterieforscher darin, Batterien herzustellen, die große Mengen der von Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen erzeugten Energie kostengünstig speichern können, sodass Strom aus diesen Quellen verfügbar ist, wenn die Sonne scheint nicht oder der Wind weht nicht. Im Moment werden solche Batterien nicht benötigt – es gibt genug Strom aus herkömmlichen Quellen, um die Lücke auszugleichen. Aber wenn Sonne und Wind jemals den Großteil des Stroms liefern sollen, werden Speicher benötigt, und Batterien sind heute viel zu teuer. Das DOE-Ziel für solche Batterien beträgt weniger als 100 US-Dollar pro Kilowattstunde, weniger als die Hälfte des Ziels für Elektrofahrzeuge. Es ist heute billiger, ein Erdgaskraftwerk als Backup-Stromquelle zu bauen oder Energie zu speichern, indem Wasser bergauf gepumpt wird, wo es später bergab fließen kann, um einen Generator zu drehen. Ein experimenteller Ansatz für solche kostengünstigen Batterien ist eine sogenannte Flüssigbatterie, bei der kostengünstige Batteriematerialien verwendet werden, die sich selbst zusammenbauen.
Selbst wenn Probleme mit Batterien im Labor gelöst werden, stoßen diese Technologien auf Hindernisse bei der Kommerzialisierung. Um die Kosten zu senken, wenden sich Batteriehersteller anderen Anwendungen als Elektrofahrzeugen und dem Stromnetz zu, um neue Technologien auf den Weg zu bringen, Anwendungen wie Mikroelektronik, Elektrowerkzeuge und Rennwagen. Plug-in-Hybride können auch als Brücke zu Elektrofahrzeugen dienen. Plug-ins verwenden gasbetriebene Notstromgeneratoren, um ihre Reichweite zu erhöhen, sodass Autohersteller kleinere, kostengünstigere Batteriepakete verwenden können, als sie für Elektrofahrzeuge erforderlich wären. Autohersteller wie GM mit seinem Chevrolet Volt, das dieses Jahr auf den Markt kommt, verfolgen diesen Ansatz. Bei den Elektrofahrzeugen, die jetzt und in den nächsten Jahren auf den Markt kommen, handelt es sich entweder um teure Sportwagen und Luxusfahrzeuge, bei denen die Kosten hoch sein können, oder ihre Vorlaufkosten werden durch kreative Finanzierungen wie Leasingbatterien gesenkt Pakete oder das Anbieten von Meile-Plänen, etwa wie die von Mobilfunkunternehmen angebotenen Per-Minute-Pläne.