Elon Musks neue Batterie und der Kampf gegen die Naturgesetze

Eine Million Meilen im E-Auto mit einer einzigen Batterie – das soll mit neuen Batterien zu schaffen sein. So hat es jedenfalls Tesla-Chef Elon Musk in einem bemerkenswerten »Batterie Day« in Kalifornien (»einer der aufregendsten Tage der Tesla-Geschichte«, so vorher Musk auf Twitter) angekündigt. 

Musk ist klar: Das Elektroauto ist noch viel zu teuer, vor allem die Batterie muss billiger werden. Das soll einmal wohl durch neue Fertigungstechnologien mit einer deutlich höheren Massenfertigung passieren. Tesla hat nach Auskunft von Branchenbeobachtern bereits Spezialmaschinen für die Zellproduktion bei der südkoreanischen Hanwha Group bestellt.

Neue Batteriezellen vom Typ 4860 sollen mit 48 Millimetern mehr als doppelt so dick wie bisher sein, daher soll nicht mehr so viel Material für die Einhüllung der Zellen benötigt werden, die Produktion preiswerter werden. Wie die Tesla-Ingenieure die dadurch größer werdenden Temperaturprobleme im Inneren der Zelle in den Griff bekommen, verriet Musk nicht. Denn bei schnellem Laden und Entladen entstehen hohe Temperaturen im Inneren, die nach außen abgeführt werden müssen. Diese Faktoren begrenzen erheblich die Leistungsfähigkeit einer Batterie.

Anoden sollen künftig aus Silizium sein. Das verpönte Kobalt in der Kathode soll durch Nickel ersetzt werden. Die Batterie soll künftig in die Struktur eines Autos integriert werden, also Bestandteil der Karosserie werden. Die Elektrodenmaterialien sollen nicht mehr mit Hilfe von Lösungsmitteln gemischt und gefertigt, sondern trocken geformt werden. Das spart erheblich Zeit und Energie in der Produktion ein. 

Doch es ist unwahrscheinlich, dass sich Herr Musk über die Gesetze der Thermodynamik hinwegsetzen kann. Die begrenzen den Energiegehalt einer Batterie. Die sogenannte »elektrochemische Spannungsreihe« erlaubt maximal 6 Volt für ein Elektrodenpaar. Eine solche Spannung lässt sich nur mit der Elementepaarung Lithium und Fluor erreichen, doch das ist eine hochgefährliche Verbindung, die kaum handhabbar ist.

Voll geladene Lithiumionen-Akkus heutiger Bauart haben bei einer Einzelzelle eine Spannung von 4,2 Volt. Mehr ist schwer zu erreichen, weil man noch keine Elektrolyte gefunden hat, die für die »5-Volt-Batterien« geeignet sind.

Theoretisch ist maximal eine Energiedichte von 0,3 kWh/kg zu erreichen, praktisch allerdings mit 0,15 kWh/kg nur die Hälfte. Doch das ist noch weit vom Energiegehalt von Benzin und Diesel entfernt. Kohlenwasserstoffe enthalten mit rund 12 kWh/kg deutlich mehr Energie. Sie schneiden wirkungsgrad-bereinigt in Sachen Energiedichte mindestens 30 mal besser ab.

In diesem drastischen Unterschied zwischen dem Energiegehalt einer Batterie und dem von Benzin oder Diesel liegt der Grund dafür, dass wir derzeit mit Verbrennungsmotoren beeindruckende Reichweiten erzielen, während dies mit Batterien nicht möglich ist.

Bei Batterien ist die Alterung der Elektrolyte das zentrale Problem. Unter mechanischem Stress beim Laden/Entladen leidet die Batterie, die Materialien werden während der zyklischen Belastung immer mehr zerstört. Musk verriet nicht, ob seine Ingenieure das in den Griff bekommen haben.

Fest steht jedenfalls: Aus Deutschland dürfte in Sachen innovativer Batterien nichts mehr kommen. Den Vorsprung allein asiatischer Unternehmen von 10 bis 15 Jahren ist kaum mehr einzuholen.

Vor 25 Jahren wurde die Elektrochemie an den deutschen Universitäten abgewickelt, Forschungsgelder für Batterieforschung gab es höchstens vereinzelt. Erst vor zwölf Jahren kam das Thema wieder auf – mit der Klimakatastrophe und der Endlichkeit der Ressourcen als Begründung. Immer wieder ausgegebenes politisches Ziel: eine Million Elektroautos auf die Straße zu bringen. Merkel gab als Ziel ja das Jahr 2020 aus. Viel zu sehen ist davon nicht.

Die Universitäten sind mit Bürokratie und Gender-Nonsense ausgelastet, Fördergelder gibt es in der Regel nur für von Bürokraten ausgeheckte Projekte. Millionen fließen jetzt in ein neues staatlich verordnetes Forschungszentrum wie das in Münster, mit dem die Bundesforschungsministerin ihre Heimat beglücken will. Für dringend notwendige Grundlagenforschung gibt es praktisch kein Geld mehr. So fiel vor ein paar Jahren auch eine interessante Grundlagenforschung an einer Aluminium-Luft-Batterie aus dem Rennen. Die hätte den Vorteil gehabt, dass mit Luft einer der beiden Reaktionspartner überall vorhanden ist und nicht mitgeführt werden muss. 

So setzen sich jedenfalls nicht die besten Ideen durch, auf die auch in der Batterieforschung so dringend gewartet wird. Solange dort aber nichts grundlegend Neues in Sicht ist, lassen Benzin und Diesel die Verbrenner-Autos wesentlich weiter fahren als batteriebetriebene. Daran hat auch Musks Batterie Day nichts geändert.