Von der Voltasäule zum festen Bestandteil der Energiewende: Die Batterie feiert ihr 222-jähriges Jubiläum
Smartphones, Laptops, E-Autos: All das kann nur funktionieren, weil es Batterien gibt. Der Urtyp wurde im 18. Jahrhundert von Alessandro Volta erfunden, der 1801 seine Erkenntnisse der Öffentlichkeit präsentierte. Die erste Batterie, auch Voltasche Säule genannt, war geboren. Sie war in der Lage, elektrische Energie chemisch zu erzeugen und abzugeben. Die Säule war somit die Grundlage für die Erforschung der Elektrizität – und der Startschuss für alle anschließenden Erfindungen. Da der italienische Physiker, dem wir auch die Einheit „Volt“ für elektrische Spannung zu verdanken haben, am 18. Februar 1745 geboren wurde, feiern wir Jahr für Jahr an diesem Datum den Internationalen Tag der Batterie. Wir nehmen das zum Anlass, uns die Entwicklung der Autobatterie einmal vor Augen zu führen und uns mit den neuesten Technologien und deren Zukunftsfähigkeit zu befassen.
Dieses Jahr wird die Batterie 222 Jahre alt. Sie funktioniert seit jeher nach dem selben Prinzip: Elektrisch geladene Teilchen strömen in einem Kreislauf vom Minus- zum Pluspol und erzeugen damit Strom. Diesen können Endgeräte dann nutzen und so unabhängig vom Stromnetz betrieben werden.
Der Weg von der Primärzelle zum Bleiakku
Bis Mitte des 19. Jahrhunderts nutzte man die Batterie nach Voltas Prinzip als Primärzelle. Dann entwickelte der französische Physiker Gaston Planté den ersten Akkumulator, eine Sekundärzelle. Dabei kamen Bleiplatten in verdünnter Schwefelsäure zum Einsatz. Diese Bauart beruht auf einem chemischen Prozess von Blei und Säure und wird heute noch angewandt. Das Interesse für den wiederaufladbaren Bleiakku war geweckt. So auch bei Emile Alphonse Fauré. Die französische Chemieingenieurin entwickelte 1880 ein Verfahren, um den Akku mit wenig Ladezyklen leistungsfähiger zu machen.
Sechs Jahre später hatte der luxemburgische Ingenieur Henri Tudor den Bleiakku so weiterentwickelt, dass dieser dann auch in Serie gehen konnte. Er war es auch, der in den nächsten Jahren mit dem „Energy-Car“ den ersten Vorreiter eines Autos entwickelte. Äußerlich sah es aus wie eine Kutsche mit einem Aufbau aus Holz. Im Inneren hatte das Gefährt einen Benzinmotor. Dieser trieb einen Elektromotor an, der als Generator funktionierte und den Blei-Säure-Akku mit Energie speiste.
Erste E-Mobilität ist made in Germany
Parallel dazu erfand Thomas Davenport das erste Kfz mit einer Primärzelle. Schon 1834 stellte er damit das weltweit erste Elektroauto vor. Das erste Hybridauto, das man „Mixte“ nannte, wurde 1900 gebaut. Es kam mit Radnabenmotoren in den Vorderrädern daher, die sich Ferdinand Porsche patentieren ließ. Das erste serielle Hybridfahrzeug bezog den Strom aus einem Generator, der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wurde. Die Höchstgeschwindigkeit betrug 80 km/h.
Interessant: Zu diesem Zeitpunkt, Anfang des 20. Jahrhunderts, fuhren deutlich mehr Elektrofahrzeuge als Benziner mit Verbrennungsmotoren auf den Straßen. Das allererste vierrädrige, strombetriebene Gefährt wurde 1888 vom deutschen Unternehmer Andreas Flocken vorgestellt. Nach diesem Startschuss entwickelte sich die Elektromobilität rasant weiter: Der Anteil elektrisch angetriebener Fahrzeuge war fast doppelt so hoch wie der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Die Verflechtungen von Autoindustrie, Ölwirtschaft, Kfz-Handwerk und Politik verhinderten jedoch, dass sich E-Autos durchsetzen konnten. Diese Entdeckungen und Ideen mussten also fast ein Jahrhundert brachliegen und wurden dann wieder aus der Schublade geholt, um das Mobilitätsproblem zu lösen und die Umwelt nachhaltiger zu gestalten.
Qual der Wahl in Sachen Verbrenner-Autobatterie
Wer heutzutage mit einem Diesel- oder Benzinmotor unterwegs ist, hat einige Batterien zur Auswahl: Den Standard-Bleiakku, wie er schon von Planté vorgestellt wurde, gibt es vom Prinzip noch immer, wenngleich selbstredend moderner. Es gibt auch Varianten, in denen anstelle der Säure ein Gel zum Einsatz kommt. Dabei wird die Schwefelsäure durch Kieselsäure gebunden, wodurch eine gelartige Masse entsteht. Der Vorteil: Die Starterbatterien sind nahezu wartungsfrei und auslaufsicher.
Für moderne Autos mit vielen elektrischen Verbrauchern wie Start-Stopp-Technik und eventuell Rekuperationstechnik wurden dann EFB- oder AGM-Batterien entwickelt, da einfache Akkus bei der Anforderung schnell an ihre Grenzen kamen. Ihr Geheimnis: Die positiven Platten sind mit Polyester beschichtet. Das erhöht die Zyklenfestigkeit und damit auch die Lebensdauer der Batterie.
Darüber hinaus gibt es auch noch Energiespeicher, die auf der Lithium-Ionen-Technologie basieren. Diese Akkus punkten mit weniger Gewicht und höherer Leistung und kommen daher bei Sportwagen und auch E-Autos zum Einsatz. Den Vorteilen stehen aber auch Nachteile gegenüber: Die Produktionskosten sind hoch, das Temperaturmanagement gestaltet sich schwierig und die Umweltbilanz ist nicht die beste. Lithium ist eine salzhaltige Sole. Für die Gewinnung muss dieses aus entsprechenden Seen abgepumpt werden, wodurch der Grundwasserspiegel in den eh schon trockenen Regionen, in denen es Vorkommen gibt, sinkt – mit entsprechenden Folgen für die Ökosysteme.
Was die Batterie-Zukunft bringt – Alternativen für E-Auto-Akkus
Dennoch ist der Einsatz von Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkus in E-Autos aktuell alternativlos. Neue Technologien sind bei fast allen großen Herstellern in der Entwicklung. Gerade jetzt, wo das EU-Parlament das Aus für Verbrenner ab 2035 besiegelt hat, müssen weitere Lösungen her. Jedoch stecken sie allesamt noch in den Kinderschuhen. Bis sie serienmäßig zum Einsatz kommen könnten, werden noch Jahre vergehen.
Am weitesten entwickelt ist die Feststoffbatterie, die ohne flüssige Elektrolyte auskommt. Gefahren wie Auslaufen oder Brand fallen damit weg. Das wiederum bedeutet, dass die Schutzmechanismen nicht mehr verbaut werden müssen. Somit sind Festkörperbatterien nicht nur leichter, sondern auch kostengünstiger. Aktuell kommen sie in Elektroautos noch nicht zum Einsatz, da ihre Ladedauer extrem hoch ist und sie schon nach wenigen Ladezyklen zu viel ihrer Kapazität verlieren. Mercedes testet die Batterie jedoch bereits auf der Straße, in seinen vollelektrischen Linienbussen eCitaro.
Zukünftig höhere Vielfalt an Akku-Varianten
Varianten ohne das teure und eher unnachhaltige Lithium gibt es in der Theorie und in ersten Tests einige: angefangen bei der Kombination von Magnesium oder Aluminium mit Schwefel, über einen Natrium-Ionen-Akku oder die Zinkbatterie. Letztere erscheint besonders spannend, da sie Chitin als nachhaltiges Elektrolyt anstelle von Kunststoffen verwendet. Chitin ist Bestandteil der Schale von Insekten und Krustentieren. Es steht also als nachwachsender Rohstoff aus Fischabfällen in großen Mengen zur Verfügung und ist biologisch abbaubar. Dazu gehören Elektroden aus Zink. Das Metall hat ähnliche Eigenschaften wie Lithium, ist aber wesentlich verbreiteter und daher billiger. Alle genannten Varianten könnten eine große Zukunft haben – und vor allem für eine Entlastung der angespannten Rohstoffsituation im Lithium-Markt sorgen.
Welcher Akku sich überhaupt durchsetzen wird und dann in welchem Fahrzeug angeboten wird, dürfte vor allem von den konkreten Anforderungen und der Zahlungsbereitschaft der Kunden abhängen. Die Materialknappheit und Preisschwankungen für Rohstoffe werden auf jeden Fall für eine breite Palette verschiedener Akku-Varianten sorgen. Einzig der große Durchbruch lässt noch auf sich warten.
