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Mann, Batterie, Fabrik
Hintergrund

Im Fokus der Forschung – die Hochvoltbatterie

Die Batterie ist das Herz des Elektroautos. Sie ist sicher und hält ein Fahrzeugleben lang. Raum für Verbesserung gibt es aber immer. Volkswagen treibt die Entwicklung mit intensiver Forschung voran.

Mitten in Wolfsburg, abgeschirmt und verborgen hinter einer schweren Tür, verbirgt sich das Allerheiligste des Bereichs Elektro-Traktion – das Testlabor für die Hochvoltbatterien. Etliche graue Schränke stehen hier in der Denkfabrik Forschung und Entwicklung an der Wand, mit dicken Stromleitungen verkabelt.

In den Schränken befinden sich sogenannte Zellen: Dutzendfach zusammengesetzt und mit komplexer Elektronik versehen, formen sie die Batterie, die in einem Elektroauto die Energie für den Motor le. Die Zellen werden ständig be- und entladen, mehrere Monate lang, bei simulierter Hitze und künstlicher Kälte. Testreihe für Testreihe.

Rund acht Milliarden Euro jährlich investiert die Volkswagen AG weltweit in Forschung und Entwicklung. Ein erheblicher Teil davon fließt in die Elektroauto- und Batterietechnologie. Denn die Hochvoltbatterie ist neben dem Elektromotor die Schlüsselkomponente des Elektrofahrzeugs – und es gibt immer noch eine Menge Entwicklungspotenzial.

Lithium-Ionen-Akku des Elektroautos
So funktioniert eine Lithium-Ionen-Batterie
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Kathode

Li-Metall-Verbindung auf Ableiterfolie

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Elektrolyt

Organisches Lösungsmittel und Leitersalz     

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Separator

Poröse Kunststofffolie oder Laminat

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Anode

Kohlenstoff oder Titanat auf Ableiterfolie

Die Kombination der Materialien beispielsweise ist eine Wissenschaft für sich. Allein bei der Produktion der weithin gebräuchlichen Lithium-Ionen-Batterien sind rund 300 verschiedene Materialverbindungen möglich – mit vielfältigen Auswirkungen auf die Eigenschaften des Speichers. Der Auftrag an die Forschung lautet deshalb: Findet die ideale Mischung!

Die vielleicht wichtigste dieser Eigenschaften ist die Reichweite von Elektrofahrzeugen. Viele Menschen zögern bei der Anschaffung, weil sie fürchten, dass sie mit einer Batterieladung nicht weit genug kommen. Heutige Elektroautos wie der e-up! schaffen eine Distanz von rund 160 Kilometern, das reicht für 97 Prozent aller täglichen Fahrten. Und doch wird es in den kommenden Jahren weitere Effizienzsprünge geben müssen.

Volkswagen betreibt deshalb Forschungssatelliten wie das Electronics Research Laboratory (ERL) in Palo Alto, Kalifornien, und arbeitet mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und Hightechunternehmen zusammen. Und in Wolfsburg bekommen die Batterieforscher bald ein neues, ganz auf Elektromobilität zugeschnittenes Labor. Am Stammsitz des Konzerns entsteht zurzeit der Elektro-Campus. Mehr als 1.000 Mitarbeiter werden dort unter anderem auch die Batterietechnologie weiter voranbringen.

 

Die Optimierung der Batterie

Die Technologie ist zwar heute schon alltagstauglich. Deshalb gibt Volkswagen auf die Hochvoltbatterien seiner Elektroautos acht Jahre Garantie. In diesen fünf Bereichen aber will Volkswagen die moderne Batterie noch weiter verbessern.     

 

Energiegehalt

Der Energiegehalt einer Lithium-Ionen-Batterie ist geringer als der von konventionellen Kraftstoffen. Doch die Stromspeicher haben Entwicklungspotenzial. Die jetzige Energiedichte von etwa 140 Wattstunden pro Kilogramm dürfte sich in den nächsten Jahren auf 200, langfristig sogar auf 250 Wattstunden erhöhen. Und die nächste Batterie-Generation befindet sich bereits in der Grundlagenforschung: Mit Metall-Luft-Batterien könnten eines Tages Reichweiten von bis zu 600 Kilometern möglich werden.

 

Sicherheit

Die hohe Energiedichte auf engem Raum kann zu Kurzschlüssen und Bränden führen. Deshalb forscht Volkswagen weiter an Materialien, die keine ungewollten chemischen Reaktionen auslösen. In den Fahrzeugen ist die Hochvoltbatterie aber ohnehin so positioniert, dass sie bei Unfällen keinen Schaden nehmen kann. Die neue Plattform MQB (Modularer Querbaukasten) garantiert einen sicheren Platz für die Batterie mitsamt Batterie-Management-System und Hochvoltkabel in allen Autos.


Lebensdauer

Im Testlabor wird die Langlebigkeit der Batterien unter härtesten Bedingungen auf die Probe gestellt. Schon heute schaffen die Systeme problemlos 3.000 vollständige Ladezyklen. Selbst wenn man eine Reichweite von nur 100 Kilometern pro Ladung zugrunde legt, ergäbe sich daraus eine Gesamtreichweite von 300.000 Kilometern. 

Recycling

Volkswagen strebt einen ausgeglichenen Stoffkreislauf an: Alle Teile der Batterie sollen wiederverwertbar sein. Das schont die Umwelt – und den Geldbeutel. Eine effiziente Verwertung gebrauchter Batterien senkt letztlich auch den Preis der Fahrzeuge. Deshalb wird auch im Bereich Recycling intensiv geforscht.

Kosten

Ohne Hochvoltbatterie wäre die Herstellung eines Elektroautos ähnlich teuer wie die eines Diesel- oder Benzinfahrzeugs. Die Kosten für elektrische Bauteile wie Elektromotor oder Leistungselektronik entsprechen ungefähr den Preisen der wegfallenden traditionellen Komponenten. Der Preisaufschlag kommt allein durch die Hochvoltbatterie zustande: Einige Tausend Euro müssen für die Batterie zusätzlich aufgewendet werden.

Lithium – das Erdöl des 21. Jahrhunderts

Das Leichtmetall ist die wichtigste Zutat moderner aufladbarer Batterien und damit ein begehrter Rohstoff. Die interaktive Grafik zeigt die Verteilung der Lithium-Weltvorräte. Sie unterscheidet zwischen den unter wirtschaftlichen Bedingungen abbaubaren Vorräten (Reserven) und den absolut vorhandenen, aber derzeit noch unerschlossenen Quellen (Ressourcen).

Weltkarte mit Lithium Reserven und Ressourcen
Wo liegt das Lithium?
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Kanada

 3 %
Reserven


 2,7 %
Ressourcen

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USA

 0,6 %
Reserven


 3,1 %
Ressourcen

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Bolivien

 0 %
Reserven



 40,2 %
Ressourcen

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Brasilien

 3,1 %
Reserven
 

 6,8 %
Ressourcen

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Argentinien

 32,8 %
Reserven


 14,9 %
Ressourcen

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Chile

 49,2 %
Reserven


 22,3 %
Ressourcen

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Simbabwe

 0,4 %
Reserven


 0,2 %
Ressourcen

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China

 8,9 %
Reserven


 8,2 %
Ressourcen


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Australien

 2,8 %
Reserven


 1,6 %
Ressourcen

Es sieht ein bisschen aus wie Puderzucker. Doch das weiße, unscheinbare Pulver hat es in sich. Lithium ist ein unverzichtbarer Bestandteil der aufladbaren Lithium-Ionen-Batterien, wie man ihn hundertmillionenfach in Elektrofahrzeugen, Handys, Tablets und Notebooks findet. Das Leichtmetall, 1817 vom schwedischen Chemiker Johan August Arfwedson entdeckt, ist längst zu einem Schlüsselrohstoff geworden.

Li, so die chemische Bezeichnung im Periodensystem, hat die kleinste Dichte aller festen Elemente und ist hoch reaktiv. Sechs Millionen Tonnen, so schätzt man, liegen weltweit zur Förderung bereit. 17.000 Tonnen davon wurden allein 2008 bereits abgebaut – mit steigender Tendenz.      

Hinzu kommt, dass Lithium ungleich auf dem Erdball verteilt ist. Chile ist derzeit das wichtigste Förderland, gefolgt von Argentinien, den USA und China. In Europa gibt es keine Vorkommen. Wenn Lithium für den Erfolg von Elektroautos so wichtig ist, so fragen sich manche, könnte dieser Erfolg gehemmt werden, weil der entscheidende Rohstoff knapp wird?

Doch die Sorgen sind unbegründet. Davon abgesehen, dass ein guter Teil des Lithiums beim Recycling zurückgewonnen wird – selbst bei einer großen Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen reichen die Lithium-Reserven bis ins Jahr 2050, so das Fazit einer Studie der Fraunhofer-Gesellschaft. Lithium wird also nicht auf der Liste der bedrohten Materialformen landen.

Lithiumressourcen

In einem riesigen Salzsee in Bolivien, dem Salar de Uyuni, schlummern mit geschätzten fünf Millionen Tonnen die weltweit größten Lithiumressourcen – ein echter Schatz für das Entwicklungsland.