Ein starkes Stück

Ein Gespräch mit Professor Martin Winter

Die Elektromobilität nimmt Fahrt auf. Aber wie steht es um das Herzstück der Stromer: die Batterie? Wo steht die Forschung, was bringt die technologische Zukunft, welche Perspektiven zeichnen sich ab? Ein Gespräch mit dem Chemiker und Materialforscher Professor Martin Winter, Leiter des Batterieforschungszentrums der Universität Münster.

Professor Martin Winter

 

 

Herr Winter, Deutschland ist die Wiege des Verbrennungsmotors. Ist das für die Batterieforschung nicht ein schlechtes Pflaster?

Prof. Winter: Deutschland hat sich in der Batterieforschung wieder eine Spitzenposition erarbeitet. Nehmen Sie als Beispiel das MEET, das sich im internationalen Vergleich absolut sehen lassen kann. Etwa 140 Kolleginnen und Kollegen arbeiten am Institut, das 2011 eröffnet wurde. Aus dieser Arbeit sind bislang mehr als 300 Projekte und 45 Patentanmeldungen hervorgegangen. Aber man muss wissen, dass Deutschland bei der Technologieeinführung in den Markt keine Vorreiterrolle einnimmt. Die hat Asien, wo sehr viel Geld in die Batterietechnologie und deren Markteinführung investiert wird.

Oft hört und liest man, die deutsche Industrie verpasse den Anschluss. Wie sehen Sie das?

Prof. Winter: In den Ländern, wo die Weichenstellungen für die Elektromobilität bereits gestellt sind und die Rahmenbedingungen attraktiv, ist es für die deutschen Unternehmen notwendig, Elektroautos anzubieten. Hierzulande ist es schwierig, schnell ein Elektroauto zu bekommen. Die Lieferzeiten liegen bei bis zu 18 Monaten. Es gibt eine große Nachfrage - auch in Deutschland. Das Angebot ist bloß zu gering.

Aber das ist ja sicher nicht die höchste Hürde. Welche Herausforderung bestimmt denn Ihre Forschungsarbeit am meisten?

Prof. Winter: Die Batteriekosten, denn die sind aus Sicht der Anwender das größte Problem. Aktuell stehen wir bei einem Preis von über 100 Euro pro Kilowattstunde auf Zellebene. 

Wie kann Ihr Institut zu sinkenden Preisen beitragen?

Prof. Winter: Die Rohstoffpreise können wir nicht beeinflussen, aber man kann die Anteile jener Rohstoffe verringern oder substituieren, die besonders kostspielig sind. Die Schwierigkeit dabei liegt darin, Eigenschaften wie insbesondere die vorhandenen Performance-Parameter oder die Sicherheit mindestens zu erhalten. Zudem forschen wir an der Erhöhung der Lebensdauer, so lassen sich die Kosten für Batterien auch verringern. Langfristig untersuchen wir neue Prozessschritte im Recyclingbereich, um die Kosten für Materialien zu senken.

Für viele scheint die Reichweite das größte Hindernis zu sein. Gibt es hier überhaupt Hoffnung, dem Verbrenner ernsthaft Konkurrenz machen zu können?

Prof. Winter: Darum sollte es meines Erachtens gar nicht gehen, denn es wird noch Jahrzehnte ein Nebeneinander der verschiedenen Antriebsarten geben. Vielleicht bleibt es sogar dabei, dass es z.B. im Schwerlastverkehr zumindest einen Verbrenner oder eine Brennstoffzelle als Generator geben wird, wobei die Batterie im Antriebsstrang gesetzt ist. Für die meisten von uns ist die Reichweite eigentlich schon heute kein Thema mehr, weil fast alle unserer Fahrten kurz genug sind, um sie auch mit einem Elektroauto zu bewältigen.

Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) ist das Batterieforschungszentrum der Universität Münster.

Trotzdem arbeiten Sie ja weiter an der Reichweitensteigerung. Was können wir da erwarten?

Prof. Winter: Die Reichweite ist physikalisch begrenzt. Mit dem Stand von heute können wir Forscher Reichweiten von maximal zwei Kilometern pro Kilogramm Batterie voraussagen, das wäre bei einem heute typischerweise verwendeten Batteriegewicht von 300 kg eine Reichweite von 600 km. Aktuell stehen wir bei etwa 700 Metern pro Kilogramm. Da besteht also noch enormes Entwicklungspotenzial, das innerhalb der kommenden zehn Jahre abrufbar ist.

Aber vor einigen Jahren hieß es doch, dass neue Batterietypen die Reichweitendiskussion komplett beenden würden.

Prof. Winter: Ich habe immer gesagt, dass uns die Lithium-Ionen-Technik noch lange begleiten wird. Ich bin bestätigt worden. Ich denke, dass Batterieformen wie der Lithium/Luft-Akku innerhalb der nächsten 15 Jahre keine Anwendungschance haben.

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Woran liegt das?

Prof. Winter: Wir sprechen von fünf Herausforderungen bei der Batterieentwicklung: 1. Energie, also Reichweite, 2. Leistung, 3. Sicherheit, 4. Kosten und 5. Lebensdauer. Meist hat der Fortschritt in einem Bereich negative Auswirkungen auf mindestens einen anderen Bereich. Es bringt eben nichts, wenn bei einem Batterietyp nur die Reichweite besser ist, aber die anderen vier Eigenschaften deutlich schlechter sind. Die Lithium-Ionen-Batterie kommt dem Alleskönner am nächsten. Das heißt aber nicht, dass dies immer so bleiben muss.

Was hat die Batterieforschung denn noch im Köcher?

Prof. Winter: Aktuell gibt es drei wichtige Forschungstrends, die gleichberechtigt nebeneinander stehen. Die erste Gruppe beschäftigt sich damit, die Lithium-Ionen-Batterie weiter zu verbessern, wie schon erwähnt vor allem auf der Kostenseite. Reichweite und Schnellladefähigkeit stehen aber gleich darunter auf der Agenda. Arbeitsschwerpunkt der zweiten Gruppe ist die Verbesserung der Reichweite künftiger Batterietypen, ohne die Vorteile der Lithium-Ionen-Batterie aufzugeben. Experimentiert wird hier mit der Lithium-Metallanode, die wiederum stark mit der Feststoffbatterie verknüpft ist. Das ist etwas für die Zeit nach 2025.

Elektrochemische Untersuchung von Elektroden in sogenannten „Swagelok“-Zellen

Und der dritte Forschungstrend?

Prof. Winter: Das ist die Arbeit an Batterien ohne Lithium. Im Moment funktioniert da noch keine besser als die heutigen Energiespeicher. Aber bei steigenden Rohstoffpreisen könnten sie für bestimmte Anwendungsbereiche eine günstige Alternative darstellen, z.B. für kleinere Photovoltaikanlagen. In der Erforschung sind Zink/Luft, Natrium-Ionen und Magnesiumbatterien. Sehr im Trend ist im Moment auch Kalzium, aber das ist ganz weit weg, ebenso wie die Aluminiumbatterie. Hier sind wir noch in der Grundlagenforschung. 

Welchem Kandidaten räumen Sie die größten Chancen ein?

Prof. Winter: Die Natrium-Ionen-Batterie hat enorme Fortschritte in den letzten Jahren gemacht. Nicht nur Lithium, auch andere teure Materialien, die z.B. Kupfer und Kobalt enthalten, sind für Lithium-Ionen-Batterien wichtig, aber nicht für Natrium-Ionen-Batterien. Wenn die Natrium-Ionen-Batterie performanter wird und wirklich billiger als die Lithium-Ionen-Technologie, dann hätte sie eine reelle Chance. 

Wann startet die E-Mobilität denn nun durch?

Prof. Winter: Aus unserer Sicht kann es losgehen. Die Batterien sind im Prinzip fertig. Damit meine ich natürlich nicht „zu Ende entwickelt“, aber fertig für die Anwendung in den kommenden Jahren. Die Nachteile des Verbrennungsmotors werden uns ja gerade jetzt in der Dieselkrise schmerzlich bewusst. Wir wollen die Ballungsgebiete sauber bekommen. Da müssen wir auf Elektromotor und Hybridantrieb setzen...

…, die mit dem aktuellen Strommix aber keine deutlich bessere Umweltbilanz haben.

Prof. Winter: Aber immerhin hätte man das Schadstoffproblem schon mal aus dem Ballungsgebiet verbannt. Natürlich muss die Verkehrswende mit dem massiven Ausbau grüner Energie einhergehen; das muss parallel verlaufen. Das gilt übrigens nicht nur für die Erzeugung des Ladestroms, sondern auch für die energieintensive Batterieproduktion. Wir müssen uns auf das Thema einlassen ohne die Annahme, dass sich schlagartig alles verändern wird. Der Verbrennungsmotor wird zunächst ergänzt. Währenddessen treiben wir die Entwicklung weiter voran. Erproben, verbessern, ausbauen - das ist es doch, was wir wollen. Nur so lassen sich Hindernisse überwinden. Und ich bin mir sicher: wir werden erfolgreich sein!


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