"Das sind die fünf Kriterien: Energie, Leistung, Lebensdauer, Sicherheit, Kosten. Und das Schöne ist: Lithium-Ionen-Batterien kann man anpassen, dass man überall einen relativ brauchbaren Eigenschaftsmix hat. Man kann sie auch trimmen, dass sie besonders starke Leistung hat und dabei nicht so viel an Leben verliert. Oder man kann sie auf besonders starken Energieinhalt trimmen. Und sie ist immer noch recht leistungsfähig."

Mit der Zeit konnte die Forschung die Lithium-Ionen-Batterien immer weiter verfeinern: Elektroden, die mehr Lithium aufnehmen. Elektrolyte, die das Lithium besser zwischen den Elektroden hin- und herleiten. Und: raffinierte Architekturen mit einem Maximum an Speichermaterial und einem Minimum an Peripherie. Dennoch: Es gibt Optimierungsbedarf, etwa in punkto Sicherheit.

"Wie kann man Batterien nicht nur aktiv sicher machen, durch das entsprechende Management – in Autos werden Batterien gemanagt –, sondern auch passiv sicher machen, dass sie gar nicht brennen können?"

Oder in punkto Schnellladung. "Fünf Minuten glaube ich, das ist akzeptabel. Im Moment sind es 20 bis 30 Minuten. Das ist für viele schon nicht mehr so komfortabel." Oder in punkto Ressourceneinsatz. "Wenn jeder von uns ein Elektroauto hat, wird’s eng bei einigen Elementen. Da müssen wir uns Alternativen überlegen."Und natürlich in punkto Kapazität. Was ist noch möglich mit der Lithium-Ionen-Technologie? Im Trockenraum des MEET stehen Peter Bieker und Tobias Placke vor den Apparaturen, mit denen sie ihre Batterie-Prototypen herstellen.

Eine Stanze für Elektroden. Ein Gerät zum Anschweißen der Metallkontakte. Eine Maschine zum Vakuumverpacken der Batteriezelle. Und die Wickelmaschine. Sie wickelt die positive und die negative Elektrode – beide in Folienform – zu einem kleinen Zylinder auf, voneinander getrennt durch den Separator, eine Trennfolie."Hier oben wird die Kathode eingespannt. Da steht ja auch schon positiv. Hier wird die negative Elektrode, also die Anode, eingespannt. Gleichzeitig wird oben und unten der Separator langgeführt. Das Ganze wird hier vorne aufgewickelt und in einen Behälter gepackt."

Zigtausende stecken im Tesla Model S

Dieser Behälter sieht aus wie ein Lippenstift – genau jener Batterietyp, der zu Zigtausenden im Tesla Model S steckt, dem wohl bekanntesten Elektroauto. In vielen Praxistests schafft er bei normalem Tempo mehr als 300 Kilometer, bei defensiver Fahrweise sogar noch mehr, kostet allerdings über 100.000 Euro. In Münster tüfteln die Forscher unter anderem daran, die Elektroden der Batterien zu verbessern. Tobias Placke nimmt eine Folie in die Hand – das Elektrodenmaterial.

"Momentan wird, wenn man die Anode anschaut, Graphit standardmäßig eingesetzt in allen Lithium-Ionen-Zellen. Man versucht mehr und mehr dahinzukommen, auch Silizium einzusetzen. Das könnte die Energiedichte und auch die Reichweite für die Elektromobilität deutlich nach vorne bringen."

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Das Problem: Silizium kann zwar viel Lithium speichern, dehnt sich dabei aber kräftig aus, um das Dreifache seines Volumens. Reine Siliziumelektroden würden durch das extreme An- und wieder Abschwellen ziemlich schnell kaputtgehen. Deshalb bauen die Forscher das Silizium in die Graphitelektroden ein."In jetzigen Zellen ist schon ein bisschen Silizium drin, ein bis zwei Gewichtsprozent vielleicht. Das wird weiter optimiert, das wird mehr und mehr kommen. Und dadurch wird man auch mehr Reichweite bekommen. Das ist nicht mehr so weit weg."

Bis zu 20 Gewichtsprozent Silizium scheinen machbar, meint Placke – und damit ein respektabler Kapazitätsgewinn.Ein weiterer Angriffspunkt: der Elektrolyt, also jene Flüssigkeit, die in der Batterie für den Transport der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden sorgt.

"Da ist der Nachteil, dass wir organische Lösemittel haben. Organische Lösemittel sind sehr reaktiv in Verbindung mit Lithium. Es könnte anfangen stark zu brennen wegen der organischen Flüssigkeiten."

Flüssigelektrolyte ersetzen durch feste, pulverförmige Elektrolyte

Franziska Klein arbeitet am Helmholtz-Institut Ulm, eines von mehreren Batterieforschungszentren, die in den letzten Jahren in Deutschland gegründet wurden. Brennende Lithium-Akkus haben immer wieder für Schlagzeilen gesorgt, in Laptops, aber auch in Elektroautos. Deshalb wollen Klein und ihre Kollegen die brennbaren Flüssigelektrolyte durch weniger heikle Stoffe ersetzen – durch feste, pulverförmige Elektrolyte.

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"Die haben sehr hohe Leitfähigkeit, also können sehr gut Lithium transferieren. Eine große Schwierigkeit dabei ist: Wenn man den Flüssigelektrolyt hat, der dringt einfach schnell überall ein. Bei dem Festelektrolyten hat man das Problem, dass man Grenzflächen hat, zum Beispiel zur festen Anode. Dadurch entstehen Widerstände, die überwunden werden müssen. Und das sind Herausforderungen."Die Forscher versuchen das Problem zu lösen, indem sie das Pulver fest mit den Elektroden verpressen, das vermindert den Widerstand. Oder sie experimentieren mit hauchdünnen Elektrolyt-Schichten, das senkt ebenfalls den Widerstand.

"Da ist man gerade auf einem guten Weg, viel zu verstehen. Ich denke, das wird für die Industrie interessant sein, gerade weil man die Sicherheit erhöhen kann. Die Sicherheit ist ein wichtiger Faktor gerade im Auto. Die wollen ihren Kunden nur Autos verkaufen, wo sie sagen können: Unsere Batterie ist sicher."Und weil die Batterie durch den festen Elektrolyten sicherer würde, ließe sich das Speichermaterial auch dichter packen."Die Energiedichte kann dadurch erhöht werden. Die ist wichtig, denn je höher die Energiedichte, desto größer wird auch die Reichweite.""Jetzt wird es etwas lauter. Das liegt daran, dass wir mehrere Klimaanlagen haben, um die Temperatur möglichst gleichbleibend zu halten, um keine verfälschten Ergebnisse zu haben."

Jede Zelle in einer sogenannten Klimakammer

Zurück in Münster. Hinter der Tür, die Peter Bieker gleich öffnet, steckt eine der Kernkomponenten des Instituts – ein Teststand. "In diesem Raum befinden sich 1200 Kanäle, um 1200 Batteriezellen gleichzeitig zu laden und zu entladen. Dann gehen wir mal rein."

"Wie Sie hören, haben wir hier ein sehr starkes Gebläse, das kommt von den ganzen Lüftungen. Jede Batteriezelle hat hier einen eigenen Kanal, deswegen haben wir hier die ganzen Kabel heraushängen. Jede Zelle ist in einer sogenannten Klimakammer bei einer festen Temperatur und wird dort zyklisiert."

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