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In der Forschung wird entweder mit anorganischen Festelektrolyten wie Keramiken und Gläsern experimentiert. Sie bieten eine angemessene Leitfähigkeit und sind mechanisch robust. Ihre Kontaktwiderstände aber sind noch zu hoch – es fließt zu wenig Strom. Dennoch gelten sulfidisch basierte anorganische Keramiken aktuell als Favorit bei der Leitfähigkeit. Die Wissenschaft untersucht zugleich organische Festelektrolyte wie Polymere. Diese haben weniger Kontaktwiderstand, aber eine zu geringe Leitfähigkeit. Über eine experimentelle Anwendung einer Polymer-Folie informiert unser Technik-Bericht zu diesem Thema.

Batteriezellen sind ähnlich Reifen ein Kompromiss, bei dem ein Vorteil in einem bestimmten Aspekt mit dem Nachteil in einem anderen erkauft wird. Egal, ob fester oder flüssiger Elektrolyt: Die Ziele sind hohe Energiedichte (gravimetrisch und volumetrisch), hohe Leistungsdichte, geringe Kosten, hohe thermische Unempfindlichkeit sowie eine hohe zyklische und kalendarische Lebensdauer.

Konventionelle Zellen entwickeln sich zeitgleich weiter

Welche Zelltypen auch immer in den Labors getestet werden – sie befinden sich im Wettlauf mit der evolutionären Entwicklung in Produktion befindlichen Lithium-Ionen-Zellen. Diese bleiben nicht stehen. Bei ihnen zeigt sich eine stetige Veränderung der Kathodenzusammensetzung: Am weitesten verbreitet sind Nickel-Kobalt-Mangan-Kathoden. Ihr Mischungsverhältnis wird in Zahlen wie NCM 111 angegeben. Hierbei zum Beispiel hat jedes der drei Metalle einen Anteil von einem Drittel. Dieses verschiebt sich zurzeit zu NCM 622 und weiter zu NCM 811.

Jede Veränderung hat Folgen. So sinken mit dem Zurückdrängen von Kobalt die Kosten. Zugleich steigt der Nickelanteil, und die thermische Empfindlichkeit wird größer. Die Steuerungssoftware, also das Batteriemanagementsystem, und die Hardware müssen dem angepasst werden. So dürfte eine aktive Flüssigkeitskühlung bald zum Standard gehören. Diese wiederum kostet Geld und auch etwas Bauraum; sie erhöht die Komplexität des nur scheinbar simpel aufgebauten Elektroautos. Die Stärke in einem Aspekt kann also durch andere Notwendigkeiten zunichte gemacht werden.

Was für das Festhalten am flüssigen Elektrolyten spricht, ist die auf den Endverbraucher ausgerichtete Großindustrie: Man will und muss die Prozesse unbedingt im Griff haben. Der Besitzer würde es kaum verzeihen, wenn sein Elektroauto eine innovative Zellchemie hat, aber zum Beispiel in relativ kurzer Zeit viel Kapazität und folglich Reichweite verliert.

Die gnadenlose Kostenlogik der Industrie hat auch etwas für sich: Der Zwang, alles bei einer gewissen Mindestqualität immer billiger zu machen, führt automatisch zu einem hohen Entwicklungsdruck. Man wird in Wissenschaft und Herstellerlabor alles testen, was denkbar ist. Und vielleicht sind es tatsächlich die Festelektrolyt-Batterien, die statt Trippelschritten einen Sprung ermöglichen. (fpi)