Transkript: Batterien (222)
Transcript: omega tau 222 – Batterien
Batterien sind ein extrem wichtiges Element verschiedenster Geräte, von Mobiltelefonen über Elektroautos bis hin zum zukünftigen Energienetz. In dieser Episode besprechen wir dieses Thema im Detail mit unserem Gast Andreas Jossen, Inhaber des Lehrstuhls für Elektrische Energiespeichertechnik an der TU München. Wir sprechen über physikalische und chemische Grundlagen, verschiedene Arten von Batterien, sowie deren praktischem Einsatz. Weiterhin besprechen wir zukünftige Entwicklungen, die aktuelle Forschung sowie alternative Stromspeichersysteme.
| [00:03:35] | Mein Name ist Andreas Jossen, ich bin Lehrstuhlinhaber hier an der TU München des Lehrstuhls für Elektrische Energiespeichertechnik in der Fakultät Elektrotechnik / Informationstechnik und wir beschäftigen uns hier hauptsächlich mit Batteriespeichern, Batteriespeichersystemen für verschiedene Anwendungen. |
| [00:03:55] | Wenn du sagst Batterien, dann umfasst das bei dir auch Akkus? |
| [00:03:59] | Genau. Also der Begriff Batterie wird in der Fachsprache für wiederaufladbare und eben für nicht-wiederaufladbare, die werden Primärbatterien genannt, die wiederaufladbaren Sekundärbatterien. Und der Begriff Batterie umfasst dann beides. |
| [00:04:14] | Das ist im Englischen ja auch so. Battery, rechargeable battery ist dann im Prinzip der Akku. |
| [00:04:17] | Genau, das ist da genau das Gleiche. |
| [00:04:20] | Das hat am Anfang ein bisschen zu Missverständnissen geführt, als ich die Hörer nach Fragen gefragt hab und halt „Batterien“ hingeschrieben hab. Und dann: „Wie, nicht über Akkus?“. „Ja, doch, doch, eigentlich geht es um Akkus.“ |
| [00:04:28] | Ja, genau. Es ist eher so, dass in der Fachsprache der Begriff Akkumulator relativ selten verwendet wird. Das ist dann tatsächlich der Begriff Batterie. Und man kennt es auch umgangssprachlich bei uns, das ist die Autobatterie und nicht der Autoakkumulator. |
| [00:04:42] | Handybatterie etwa. |
| [00:04:44] | Ja, genau. |
| [00:04:45] | Ja, wir wollen das Thema heute mal von verschiedenen Perspektiven betrachten und wir fangen erstmal, logischerweise, mit den Grundlagen an. Also wie funktioniert… Und wir sagen ab jetzt nur noch „Batterie“, oder? |
| [00:04:58] | Wir sagen nur noch „Batterie“. |
| [00:04:59] | Gut, also wie funktioniert eine Batterie vom Prinzip her? Da passiert ja irgendwas Chemisches da drin. |
| [00:05:04] | Ja, eine Batterie basiert auf elektrochemischen Reaktionen, so genannten Redox-Reaktionen. Und bei so einer Reaktion gibt ein Material an der einen Elektrode Elektronen ab und an der anderen Elektrode nimmt ein anderes Material Elektronen auf. Und diese Vorgänge sind elektrochemisch und dadurch kann man Ladung speichern in den Materialien. Das ist das Eine und das Zweite ist, dass diese Materialien durch diese Reaktionen spezifische Spannungen erzeugen. Und dadurch entsteht in so einer Zelle eine Spannung. Und Spannung mal Ladung ergibt dann Energie. Und die spannende Frage ist dann: Welche Materialien funktionieren da? Wie viel Spannung haben die? Und wie viel Ladung haben die denn? Wie muss es sein, dass das Material möglichst leicht ist und möglichst viel Spannung hat? |
| [00:06:03] | Aber vom Prinzip… Ich meine, wir reden gleich über die verschiedenen Arten. Aber vom Prinzip her funktionieren alle Batterien gleich? Ich erinnere mich, früher die Autobatterie, die konnte immer auslaufen. Also da war irgendeine Flüssigkeit drin. So ein Handyakku, so ein Lithium-Ionen-Akku, der kann nicht auslaufen, da ist keine Flüssigkeit drin. Also das gibt es dann in flüssig und fest, aber trotzdem ist dieses Ladung-abgeben-Ladung-aufnehmen-Prinzip das Gleiche? |
| [00:06:28] | Genau, also vielleicht nochmal: Wie ist so eine Zelle aufgebaut ganz unabhängig von dem elektrochemischen System? Man braucht zwei Elektroden, eine positive und eine negative, an der dann die jeweiligen Reaktionen ablaufen. Und man braucht zwischen den beiden Elektroden einen Elektrolyten. Das ist ein Ionenleiter, um den Stromkreis zu schließen und dieser Ionenleiter, der kann nun flüssig, fest, der könnte auch gasförmig sein. In den Lithium-Ionen-Batterien ist der aber auch flüssig, bloß ist der in einem Medium gebunden, in so einem porösen Separator. Und deswegen läuft das nicht aus, wenn so eine Zelle undicht würde. |
| [00:07:11] | O.k., alles klar. Über Details zum Undichtwerden können wir vielleicht später nochmal reden. Gut, und der grundsätzliche Unterschied Batterie vs. Akku, also rechargeable vs. nicht-rechargeable, wiederaufladbar, besteht dann in der Reversibilität dieses Prozesses? |
| [00:07:33] | Zum Einen ja, also dieser Prozess, der an so einer Elektrode stattfindet, zum Beispiel gibt die negative Elektrode Elektronen ab beim Entladen. Wenn ich die Stromrichtung umkehre und dann Strom hinein schicke, dann läuft der Prozess rückwärts. Und das wäre dann reversibel. Und je nach Material ist es jetzt so, dann läuft er 100 % oder nahezu 100 % reversibel oder er läuft bloß zum Teil reversibel. Und jetzt ist die Frage: Was läuft nicht reversibel? Das kann dann bedeuten, dass die Elektrode dabei zerstört wird und altert oder kann bedeuten, dass als Nebenprodukt Gase entstehen und der Elektrolyt zersetzt wird. Und das sind so die Gründe, warum manche Materialien oder Systeme wiederaufladbar sind und andere nicht wiederaufladbar. |
| [00:08:25] | Oder nur eine bestimmte Anzahl an Wiederaufladungszyklen haben. |
| [00:08:28] | Oder eine begrenzte Anzahl an Wiederaufladungszyklen haben. Bestes Beispiel ist da vielleicht die Alkali-Mangan-Batterie. Das ist die Primärbatterie, die man so in der AA-Größe zum Beispiel kaufen kann im Supermarkt. |
| [00:08:39] | Das was uns heute aufnimmt hier. |
| [00:08:41] | Das, was da drin ist, genau. Und das ist sicher die meistverkaufte Zelle, die es so gibt. Da gab es auch mal eine Variante, die wiederaufladbar war. Mit ein paar Zusätzen hat man dann erreicht, dass die nicht so stark gegast hat. Und da gingen so 25 Zyklen. Und das war dann so ein System, das war zwischen einem wiederaufladbaren System und einem nicht wiederaufladbaren System und das hatte dann den interessanten Namen „reusable battery“ bekommen. |
| [00:09:13] | Immerhin waren sie ehrlich und haben es nicht als Akku verkauft. |
| [00:09:18] | Ja. |
| [00:09:20] | Über die verschiedenen Alterungsprozesse und so reden wir nachher später noch im Detail. Jetzt erstmal so ein bisschen den Überblick. Die verschiedenen Arten, wollen wir vielleicht mal die wichtigsten durchsprechen? Den Bleiakku haben wir schon besprochen oder erwähnt, sollten wir sagen. Was passiert da chemisch, technisch, innen drin? |
| [00:09:41] | Die verschiedenen Systeme unterscheiden sich jetzt durch diese aktiven Materialien, also die Materialien, die diese Reaktion eingehen und Elektronen ab- oder aufnehmen können. Das sind die so genannten Aktivmaterialien. Da steckt die Energie später drin. Und im Bleiakkumulator ist es an der negativen Elektrode metallisches Blei und an der positiven Elektrode Bleidioxid. Und da entsteht eine Spannung dazwischen von etwa 2 V, das heißt, eine Zelle hat 2 V. Und der Elektrolyt ist Schwefelsäure, verdünnt, und diese Schwefelsäure reagiert dann mit Blei oder Bleidioxid an beiden Seiten zu Bleisulfat. Und dabei werden jeweils zwei Elektronen frei oder eben aufgenommen. Und der Bleiakkumulator hat ein paar interessante Eigenschaften. Die eine Eigenschaft ist, dass die metallischen Komponenten alle aus Blei oder Blei in verschiedenen Oxidationsstufen ist. Auch die Stromableiter, die man ja noch da dran bringen muss, um die Elektronen dann herauszubekommen, wie macht man auch aus Blei. Und das ist sehr attraktiv fürs Recyceln. Einen Bleiakkumulator kann man einfach schreddern und wieder einschmelzen, wenn dann der Elektrolyt weg ist. Und dadurch erreicht man sehr hohe Recycling-Quoten und das ist wirtschaftlich interessant, denn da ist relativ viel Blei drin. Also es lohnt sich wirtschaftlich, diesen Bleiakku wieder zu recyceln und das funktioniert eben sehr gut. Zweite gute Eigenschaft von Bleiakkumulatoren ist, dass die Schwefelsäure, die ist ein so genannter wässriger Elektrolyt. Wir haben dort Protonen, also H+ als Ionen, die leiten. Und da ist eine gute Eigenschaft mit verbunden, dass das sehr niederohmig ist und der Bleiakkumulator eben eine sehr gute spezifische Leistung abgeben kann, auch bei sehr niedrigen Temperaturen. Solang der Elektrolyt nicht eingefriert, was je nach Ladezustand bis -50° sein kann, ist der Bleiakkumulator in der Lage, doch eine ganz gute Leistung abzugeben. |
| [00:11:54] | Also die Spannung ist ja fix, das sind diese zwei Volt. Ich kann die Dinger dann in Reihe schalten, dann gibt es natürlich mehr. Das heißt also, der Strom ist dann das Entscheidende für die Leistung? |
| [00:12:04] | Genau, also für die Leistung, ich glaube, wenn wir viel Leistung brauchen, hilft auch Spannung. Leistung ist Strom mal Spannung. Eine typische Autobatterie hat heute 12 V, das sind sechs Zellen in Serie geschaltet in einem so einem Blockgehäuse. Und beim Starten von einer modernen Fahrzeug werden Ströme bis zu 1000 A benötigt. Und besonders wenn die Temperaturen sehr niedrig sind, dann ist das Öl, hat eine hohe Viskosität. Dann gehen die notwendigen Ströme nach oben. Das ist das Eine und das Zweite ist, um einen Verbrennungsmotor zu starten muss man ihn bei niedrigen Temperaturen schneller drehen, damit er losläuft. Da kommen also schon zwei Komponenten zusammen. Und die dritte ist, dass die Bleibatterie bei niedrigen Temperaturen auch noch weniger leistungsfähig wird und deswegen gibt es halt irgendwo eine untere Grenze zum Starten des Fahrzeugs und die liegt dann irgendwo so bei knapp -30°. |
| [00:13:01] | Der Grund, warum so eine Zelle 2 V abgibt… Mir scheint, dass du sagen wolltest, dass das unabhängig von der Konstruktion oder der Bauform ist. Also das muss irgendwie an der Chemie liegen. Oder an der Physik oder halt was auch immer. |
| [00:13:17] | Es liegt an der Elektrochemie. Es ist so, dass wenn… Der Bleiakkumulator besteht jetzt aus zwei Elektroden, Blei und Bleidioxid im geladenen Zustand. Und jedes dieser Materialien liefert eine spezifische Spannung gegenüber einer Referenzspannung, die man sich irgendwo im Elektrolyten als Bezugspunkt vorstellen kann. Und das hat der Herr Volta auch damals vor langer Zeit festgestellt, dass dieses materialspezifisch ist. Und das bedeutet: Ein Material gibt eine spezifische Spannung unter definierten Bedingungen, wie zum Beispiel die Konzentration im Elektrolyten. Und beim Bleiakkumulator ist es eben so, dass die Differenzspannung der beiden Elektroden dann in etwa 2 V gibt. Das ist ganz minimal von der Temperatur abhängig, aber das macht dann bei 10° Kelvin Temperaturunterschied wenige Millivolt Veränderung der Spannung aus. Und deswegen wird eine Bleibatterie immer 2 V haben. Man kann keine Bleibatterie konstruieren heute, die 3 V hätte. Dann wären noch irgendwelche anderen Materialien drin. |
| [00:14:37] | Und kann man das intuitiv erklären, warum? Hat das irgendwas mit Orbitalen oder irgend so etwas zu tun, wo dann irgendwelche Elektronen rausgeschossen werden oder führt das zu weit? Ist das einfach eine inhärente Materialeigenschaft, die man nicht wirklich erläutern kann? |
| [00:14:48] | Nein, das ist keine Materialeigenschaft, sondern das ist eine Eigenschaft dieser elektrochemischen Reaktion. Das kann man sich so vorstellen, das hängt zusammen mit der elektrochemischen Doppelschicht. Wenn man eine Elektrode, nehmen wir mal metallisches Blei, wenn man das jetzt in einen Elektrolyten taucht, nehmen wir irgendein Salz an, das Blei-Ionen hätte, dann taucht man das ein und die Chemie und eben die Elektrochemie, die besteht aus Gleichgewichten. Es wird immer versucht, ein Gleichgewicht einzustellen. Und dann gibt es eine Reaktion, die das Blei auflöst in dem Elektrolyten, also aus dem Blei Pb2+ macht, das wäre die Lösung. Und andersrum, wenn es wieder abgeschieden wird, wird ja aus dem Pb2+ wieder Blei. Und da gibt es das elektrochemische Potenzial, das ist die Energie, die diese Komponente hat. Und das kommt ins Gleichgewicht in den verschiedenen Phasen. Und solange das nicht im Gleichgewicht ist, wird es eine Verschiebung geben. Also nehmen wir an, das elektrochemische Potenzial von dem Blei in Lösung ist geringer als das in der festen Phase, solang löst sich dieses Blei auf. Und jetzt passiert folgendes: Wenn man da so einen Bleistab in den Elektrolyten taucht und es löst sich Blei auf, gibt dann zwei Elektronen ab, die bleiben in dem Bleistab und das Pb2+ geht in Lösung. Und jetzt gibt es dann eine Kraft, die Diffusion. Dadurch bewegt sich das Blei-Ion verteilt sich. Und es gibt aber andererseits die Coulombschen Kräfte, also dass das elektrische Feld das wieder zurückholt. Und da gibt es ein Gleichgewicht dann. Und das bedeutet, die Blei-Ionen, die lagern sich jetzt um die Elektrode an und es bildet sich da ein starkes elektrisches Feld aus. Und da entsteht das Potenzial. Und damit lässt sich zeigen, dass so ein Material mit den Eigenschaften, die jetzt da mit dem Feld zusammenhängen und dem elektrochemischen Potenzial eine charakteristische Spannung liefert. Und das ist im Prinzip die Spannung der Reaktion Blei zu Blei2+ plus zwei Elektronen. Und die Referenzspannung, die man nimmt, ist die Spannung der Wasserstofferzeugung. Das ist per Definition null. Und da liefert eben Blei etwa -0,3 V. Das wäre die negative Spannung. Und die positive der Bleibatterie, das Bleidioxid, würde dann an der Stelle gehen zu… Das Bleidioxid ist vierwertiges Blei, Pb4+, und das geht dann auch in Lösung zu Pb2+. Und diese Spannung ist etwa +1,7 V. Und die Differenz der beiden Spannungen, +1,7 minus -0,3 und dann kommt man auf 2 V Spannung. |
| [00:17:46] | Und die Stromstärke, die maximal mögliche, hat dann was mit der möglichen Geschwindigkeit dieser Reaktion zu tun, wie viel Ladung quasi frei wird, um dann transportiert werden zu können? |
| [00:17:58] | Genau, also dieser Effekt ist an der Oberfläche, an der Grenzfläche Elektrode-Elektrolyt. Und diese Reaktion, man sagt, die muss aktiviert werden. Also um da Strom rauszukriegen, muss man einen gewissen Spannungsabfall in Kauf nehmen. Und das wird sich dann aus etwa wie ein Innenwiderstand und je größer der Innenwiderstand, desto weniger Strom kann ich da raus ziehen. Und zusätzlich kann man natürlich im Elektrolyten zwischen den Elektroden, der eben nicht beliebig kurz, der Abstand, sondern in einer Bleibatterie sind wir da so im Millimeterbereich, oder einige Millimeter. Und der Elektrolyt verhält sich wie ein ohmscher Widerstand, das kommt dann noch dazu. Das heißt, es gibt durch die Spannungsabfälle eine Begrenzung der Leistung. Und technisch versucht man das Ganze dann so zu verbessern, wird eine Elektrode jetzt nicht eine plane, glatte Fläche ist mit massivem Blei zum Beispiel, sondern man macht eine poröse Elektrode, so schwammartig, um eben bei gleicher Materialmenge eine möglichst große Oberfläche zu erreichen. Und damit kriegt man diese Spannungsabfälle durch die Reaktion, das nennen wir Kinetik, die kann man damit verbessern, sprich: die Spannungsabfälle verkleinern. |
| [00:19:23] | Das heißt, die maximale Leistung einer Batterie ist nicht gottgegeben, sondern die hängt durchaus von konstruktiven Maßnahmen ab, wie man zum Beispiel die Elektroden gestaltet. |
| [00:19:33] | Genau, also sie ist gegeben durch physikalische Parameter wie Leitfähigkeit des Elektrolyten… |
| [00:19:39] | Also ein Maximum ist gegeben im Endeffekt? |
| [00:19:41] | Nein, sagen wir mal, es gibt einfach Randbedingungen und wenn ich die Randbedingungen dann im Zelldesign berücksichtige, kann ich auch mit Systemen, die intrinsisch erstmal eigentlich schlecht sind, gute Leistungen machen, aber da muss ich mir konstruktiv ein bisschen was einfallen lassen. Also Lithium-Ionen-Batterien haben einen furchtbar schlecht leitenden Elektrolyten und trotzdem können die heute riesige Ströme, weil der Weg durch den Elektrolyten durch die dünnen Abstände oder die dünnen Schichten kurz ist. Das hat man eben da durch geeignetes Design dann so, sagen wir mal zwischen 2000 und 2010 massiv verbessert in diesem System. |
| [00:20:25] | Wir werden jetzt sicherlich nicht über jede der, was weiß ich, zehn verschiedenen Arten so lange reden wie über den Bleiakku, aber ich dachte, einmal müssen wir das Prinzip mal wirklich auseinander klamüsern. Du hast gerade den Lithium-Ionen-Akku schon genannt. Das ist wahrscheinlich der weitverbreitetste derzeit, weil er in sämtlichen Telefonen und wahrscheinlich fast allen so Elektronik-Gadgets drin ist. |
| [00:20:47] | Also momentan, bei den wiederaufladbaren Akkumulatoren gibt es eigentlich drei Systeme, die verbreitet sind. Das Eine ist der Bleiakkumulator. Das Nächste ist die Nickel-Metallhydrid-Batterie, so der Nachfolger von der Nickel-Cadmium-Batterie. Und das Dritte ist die Lithium-Ionen-Batterie. Und wenn man jetzt den Markt anschaut, den weltweiten Markt, wie viel wird damit umgesetzt, dann ist die Bleibatterie das größte System oder das bedeutendste System. Das hängt damit zusammen, dass eben sehr viel in den Fahrzeugen für die Starterbatterien benötigt wird, dass die Bleibatterien in vielen Notstrom- oder USV-Anlagen, die, was weiß ich, in Banken, in Krankenhäusern, in Telekommunikationssystemen sind, verwendet wird. Und die dritte große Sparte der Bleibatterie sind die ganzen Industrietraktionen, also Gabelstapler, Flurförderfahrzeuge. Auf Bahnhöfen und Flughäfen fahren viele so kleine Elektrofahrzeuge rum oder Reinigungsmaschinen. Und die fahren heute in der Regel noch mit Bleibatterien. |
| [00:21:53] | Kann man das so sagen, dass für große Speichermengen, zumindest bis vor ein paar Jahren – also man hört ja auch heute, das ganze Powerwalls mit Handyakkus gemacht werden und so – aber bis vor ein paar Jahren eigentlich die Domäne der Bleiakkus waren? |
| [00:22:06] | Bis vor ein paar Jahren war es tatsächlich so, dass große Speichersysteme, die, sagen wir mal, ab mehrere 10 kWh oder 100 kWh prima mit Bleibatterien gemacht wurden, aber auch aus hauptsächlich Kostengründen a) und b) Verfügbarkeits- und Sicherheitsgründen. Das auch noch mal ein wichtiger Punkt, ein Unterschied zwischen Blei- und Lithium-Ionen-Systemen. |
| [00:22:33] | Lass uns nochmal kurz über die Lithium-Ionen-Systeme reden. Du hast gerade Sicherheit angesprochen. Wir wissen alle, die brennen gelegentlich mal ab, also jetzt ein bisschen flapsig formuliert, aber das war das, was du angesprochen hast damit, oder? |
| [00:22:46] | Genau. Also das Lithium-Ionen-System, vielleicht erstmal, warum ist es so attraktiv? Es ist deswegen so attraktiv, da Lithium bei dieser elektrochemischen Reaktion die negativste Spannung von allen Materialien, die wir heute haben, liefert. Gegenüber dieser Referenz sind das -3 V und man hat Materialien für die andere Seite, die leicht positiv sind. Und man kann mit… Lithiumbasierte Systeme haben heute typischerweise, Lithium-Ionen-Systeme, knapp 4 V Zellspannung. Es gibt erste Varianten, die bis 5 V Spannung gehen und dadurch haben wir erstmal eine hohe Spannung. Und das Zweite ist, dass Lithium sehr leicht ist, also die Dichte von Lithium, die ist um den Faktor 20 besser oder leichter als die von Blei. Es kann zwar bloß halb so viel Ladung speichern, nur ein Elektron abgeben, Blei kann zwei Elektronen abgeben, aber das ist immer noch fünfmal so gut. Und aus dem Grund ist Lithium das attraktivste Material, was wir heute kennen, für wiederaufladbare Batterien. So, und dieses nimmt man jetzt in den Lithium-Ionen-Systemen und durch diese sehr große Zellspannung, insbesondere die sehr negative Spannung von dem Lithium, kann man keinen wässrigen Elektrolyten nehmen oder sowas. Kalilauge ist in Nickel-Metallhydrid-Batterien oder Schwefelsäure in Bleibatterien. Geht nicht, denn würde man so einen Elektrolyten nehmen, dann würde es sofort eine Elektrolysereaktion geben und der Elektrolyt würde zersetzt werden, sprich: Es würde aus Wasser eben Wasserstoff und Sauerstoff und die Zelle wurde sofort austrocknen. Das heißt, man muss einen so genannten aprotischen Elektrolyten nehmen, da sind keine Protonen, keine H+ drin, oder einen wasserfreien Elektrolyten. Das sind organische Lösungsmittel, in denen dann ein Salz gelöst ist. |
| [00:25:02] | Aber nicht mehr flüssig? |
| [00:25:04] | Doch, das ist erstmal auch flüssig. Das ist zum Beispiel Propylencarbonat, was da drin ist, Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat. Das sind Lösungsmittel mit verschiedenen Eigenschaften. Meistens sind es zwei gemischt und da kommt ein Leitsalz dazu, in dem das Lithium dann später das Li+, also dieses Kation da drin bildet, dass der Elektrolyt Lithium bewegen kann. So, und dieses Lösungsmittel, was wir dazu brauchen, ist eben entflammbar und im Gegensatz zu dem wässrigen Elektrolyten, die man nicht entflammen kann. Und das ist erstmal das… |
| [00:25:47] | Also nochmal ganz kurz, wässrig setzt du nicht mit flüssig gleich, sondern wässrig heißt, da ist H drin und es gibt… |
| [00:25:50] | Nein, wässrig ist Wasser. H2O erstmal. Genau. |
| [00:25:54] | O.k., alles klar, das war vorhin kurz mein Missverständnis. |
| [00:25:56] | Genau, also, und die Lithium-Ionen-Batterie, die hat jetzt erstmal auch einen flüssigen Elektrolyten, der da drin ist. Das ist aber nicht so wie in der Bleibatterie, wenn man die jetzt schüttelt, dass man es da dann schlabbern hört da drin, sondern die Lithium-Ionen-Batterie hat den Elektrolyten aufgesogen in dieser porösen Struktur. Das heißt, zwischen den Elektroden ist jetzt nochmal ein Separator, das ist wie so eine poröse Plastikfolie, damit sich die Elektroden nicht berühren können und einen Kurzschluss bilden. Die ist etwa 20 µm dick und in diese poröse Struktur, Separator und Elektroden, geht dann durch die Kapillarkräfte der Elektrolyt rein. Manche Zellen haben ein bisschen Überschuss. Es gibt so ein paar große Zellen, wenn man die schüttelt, hört man: Da ist ein bisschen was drin. Aber eigentlich ist die Leitfähigkeit durch den aufgesogenen Elektrolyt gegeben, sprich: Wenn so eine Zelle undicht würde, dann würde die nicht im großen Maßstab auslaufen. Und das gibt dann auch noch Konstruktionsprinzipien, da ist der Elektrolyt in so einem Polymer gebunden, in so einer porösen Struktur. Das ist dann noch besser. |
| [00:27:13] | So LiFePos? |
| [00:27:15] | Das sind die LiPos, ja. Daher kommt das, Polymer, das ist aber ein sehr flexibler Begriff. Das kann sein, dass der Elektrolyt gelförmig ist, es kann sein, dass der in so einer Polymerstruktur aufgesaugt ist und wovon viele heute reden und was ein Entwicklungstrend ist, einen tatsächlichen Festkörperelektrolyten zu haben. Das bedeutet, man hat einen Lithium-Ionen-leitfähigen Kunststoff und da ist keine flüssige Komponente mehr drin. Oder eine Lithium-Ionen-leitfähige Keramik. Das ist zum Beispiel das, was die Firma Bosch momentan in den Medien, oder vor einem Jahr etwa in den Medien gebracht hat und darauf setzt und sich da Vorteile erhofft. |
| [00:28:04] | Wie nennt sich das? Unter welchem Begriff… |
| [00:28:05] | Das ist einfach Solid State, Festkörperlithiumbatterie. Oder All Solid State. Und der größte Vorteil oder einer der größten Vorteile ist eben der, dass der Elektrolyt nicht mehr brennbar ist. So, und jetzt waren wir bei der Sicherheit. Jetzt kommt noch etwas Zweites dazu: In Lithium-Ionen-Batterien hat man an der positiven Elektrode, also dem Pluspol, ein Lithium-Metalloxid und das kann ein bisschen Lithium abgeben oder eben aufnehmen. Und dieses Material ist zum Beispiel Lithium-Cobalt-Oxid, Lithium-Nickel-Oxid oder ein Lithium-Mangan-Oxid, das wäre dann in einer ein bisschen anderen Struktur Manganspinell. Und diese Materialien sind thermisch nicht stabil. Dieses klassische Lithium-Cobalt-Oxid, wenn Sie da zum Beispiel über 200 °C gehen, dann zerfällt dieses Material. Es geht quasi in eine andere Oxidationsstufe. Dabei wird Wärme frei, also exotherm. Und zusätzlich wird Sauerstoff frei. Da ist ja Lithium-Cobald-Oxid und da kann man einen Teil des Sauerstoffs abspalten plus Wärme generieren. Die Wärme beschleunigt diesen Zerfallsprozess und das ist dann der so genannte Thermal Runaway. Und dann kann das dazu führen, dass so eine Zelle relativ heftig thermisch reagiert, also bis dass sie quasi explodiert. |
| [00:29:40] | Aber die ursprüngliche Ursache ist immer eine Überhitzung, die erstmal stattfindet? Das ist nicht zu viel Stromentnahme oder irgendwie… |
| [00:29:46] | Genau, also das eigentliche Sicherheitsproblem ist ein thermisches Problem, denn auch der Elektrolyt brennt bei Raumtemperatur nicht einfach ab. Also wenn der Elektrolyt sich nur durch Erhitzung entzünden soll, dann braucht man bei den Elektrolyten auch mehrere 100° Temperatur. Das ist anders, wenn er sehr heiß ist und verdampft. Dann reicht eine gewisse Zündenergie, so ein Funken zum Beispiel, um das Gas zu entzünden. Und natürlich, wenn Strom fließt, entsteht Wärme. Und es geht die Verlustleistung P ist r mal I², das heißt, doppelter Strom ist viermal so viel Wärme. Und ich hatte vorhin ja gesagt, dass der Separator, also diese poröse Folie zwischen den Elektroden, die vermeidet, dass sich die berühren und einen elektronischen Kurzschluss bilden kann, die es etwa 20 µm dick. Das ist Totvolumen, die möchte man gerne dünner machen. Es gab schon Systeme, die waren unter 10 µm dick. Und wenn diese Folie beschädigt wird, zum Beispiel weil ein Partikel in der Zelle ist… |
| [00:30:57] | Oder schlampig hergestellt wird, das ist ja auch so eine Kritik. |
| [00:30:58] | …oder das Material Fehler hat. Meistens geht es um Partikel, die drin sind. Und da die Zellen mechanisch leicht arbeiten, bohrt sich dann so ein Partikel im Laufe der Zeit durch und dann gibt es da einen Kurzschluss in der Zelle und in dem Kurzschluss entsteht sehr viel Wärme, weil sich dann die Zelle quasi in diesem Kurzschluss entleert und dann geht so eine Zelle thermisch durch. Das ist zum Beispiel 2006 mit den ganzen Dell-Computerbatterien passiert. Ich nehme das mal zurück, nicht ganzen, sondern es gab irgendwie 30 nachgewiesene Vorfälle bei etwa 4 Millionen Packs, die im Umlauf waren. Und deswegen ist also die intrinsische Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ein Punkt, der sehr schwierig ist. Und das wird, je größer Zellen werden, desto schwieriger wird das, weil das thermische Gleichgewicht immer schwieriger wird. Das heißt, wenn Sie eine Zelle mit doppeltem Energieinhalt haben, dann wird sich die Oberfläche, die ja die Wärme abgeben kann, nicht verdoppeln. Und das ist die große Herausforderung der letzten Jahre gewesen, große Zellen zu bauen, die genauso sicher sind wie kleine Zellen. |
| [00:32:15] | Gerade in Elektrofahrzeugen hat man ja gerne auch solche Akkus drin und da entsteht eben dann das Problem zum Beispiel. |
| [00:32:21] | Genau. Also da geht man gerne Richtung große Zellen, damit man nicht so viel Verbindungstechnik braucht. Tesla nimmt kleine Zellen und BMW nimmt große Zellen oder die europäischen Hersteller nehmen hauptsächlich große Zellen. Und das hat dann eben Vor- und Nachteile. |
| [00:32:37] | Da hätte ich jetzt eine Folgefrage, aber die spare ich mir kurz und wir gucken mal noch ganz kurz. Zwei Dinge wollte ich noch ganz kurz ansprechen. Das Eine war diese Nickel-Metallhybrid-Batterien, die ja eine Rolle spielen und das Andere waren diese LiFePos, weil die ja in der Fliegerei gerade ganz in sind. Die sind leichter und sind spannungsstabiler und… Also in der Segelfliegerei. Möchtest du da noch kurz was dazu sagen, wodurch sich diese Systeme auszeichnen? |
| [00:33:04] | Also erstmal, dieses Nickel-Metallhydrid. |
| [00:33:07] | Was hab ich gesagt? Hybrid? |
| [00:33:09] | Nickel-Metallhydrid. |
| [00:33:10] | Ich habe, glaube ich, Hybrid gesagt. Das ist Blödsinn, Hydrid. |
| [00:33:12] | Nickel-Metallhydrid. Was ist das? In dem System nutzt man Wasserstoff als das Ion, was sich bewegt. Und der Wasserstoff wird dann einmal auf der einen Seite und einmal auf der anderen Seite gespeichert. Und auf der negativen Seite kann Wasserstoff in eine Metallhydrid-Legierung an freien Gitterplätzen eingebaut werden und diese Metallhydrid-Legierungen basieren zum Beispiel auf Lanthan-Nickel, also seltenen Erden und Nickel-Legierungen mit Zusätzen, damit das Ganze dann reversibel ist. An für sich ist das ein ganz tolles System, denn Wasserstoff ist natürlich superleicht, noch viel leichter als Lithium. Allerdings ist diese Metallhydrid-Legierung von der Speicherfähigkeit sehr ineffektiv. Also in diesen Legierungen, die man da nimmt, dieses Lanthan-Nickel(V), kann man etwa nur 1,5 % der Masse nutzen zur Wasserstoffspeicherung. Das heißt, man hat 100 g Material und kann 1,5 g Wasserstoff da drin speichern. Und deswegen hat man so einen Riesenballast, den man mitschleppen muss, was sich besonders auf die Masse auswirkt. Und Nickel-Metallhydrid-Batterien haben deswegen heute ganz grob nur die halbe spezifische Energie, also Energieinhalt pro Kilogramm Masse im Vergleich zu Lithium-Ionen-Zellen. Das ist ein Nachteil. Ein zweiter Nachteil ist, sie haben wieder aufgrund dieser elektrochemischen Eigenschaften weniger Zellspannung. Die liefern bloß 1,2 V und man muss dann dreimal so viele Zellen in Serie schalten, was natürlich viel Aufwand ist. |
| [00:35:02] | Ist das generell so der Punkt, warum die Zellspannung wichtig ist? Weil wenn sie kleiner ist und man will die gleiche Gesamtspannung erzeugen, habe ich einfach einen höheren konstruktiven Aufwand durch die Reihenschaltung und die einfach konstruktive Geschichte? |
| [00:35:16] | Genau, also es ist konstruktiv. Und jede Zelle, die ich in so einen Serienverbund baue, muss ich kontaktieren an Plus- und Minuspol… |
| [00:35:24] | Die können kaputt gehen. |
| [00:35:25] | …die Zellverbinder sind auch von der Zuverlässigkeit begrenzt. Ich muss vielleicht Zellspannungen überwachen, dann muss dreimal so viel Zellspannung überwacht werden, wobei Nickel-Metallhydrid nicht so empfindlich ist. Was ganz wichtiger fundamentaler Grund ist, ist aber, dass die Verluste in so einer Zelle zum großen Teil an den Elektroden entstehen, an dem Übergang. Und das habe ich dann in so einer Nickel-Metallhydrid-Zelle eben zweimal mit 1,2 V und in einer Lithium-Ionen-Zelle habe ich das auch zweimal, das heißt, ich kann eine Lithium-Ionen-Zelle bezüglich dieses Verlustmechanismuses viel effektiver, effizienter bauen als eine Nickel-Metallhydrid-Zelle. Und die Nickel-Metallhydrid-Zelle ist sehr attraktiv im Consumerbereich, denn die Spannung von 1,2 V ist zwar ein bisschen niedriger als die 1,5 V von diesen Alkali-Mangan-Zellen, aber die Alkali-Mangan-Zellen, die ändern ihre Spannung sehr stark während der Entladung und Geräte müssen gehen bis 0,9 V – 1 V. Nickel-Metallhydrid bleibt relativ stabil bei 1,2 V. |
| [00:36:33] | Ist ja auch ein Charakteristikum, ein wichtiges. |
| [00:36:35] | Ja und deswegen werden die im Consumerbereich noch sehr lange erhalten bleiben. Sie sind relativ sicher. Gut, da ist Wasserstoff drin, der kann auch brennen. Aber sie sind relativ sicher und kann man dann auch in Spielzeug einsetzen und werden in dem Bereich Primärbatterien ersetzen und das wird da eben eine Alternative sein zu dieser Alkali-Mangan-Batterie. Im professionellen oder industriellen Bereich werden Nickel-Metallhydrid-Batterien noch im Bereich von Hybridfahrzeugen eingesetzt. Also so ein Toyota Prius oder auch das eine oder andere Fahrzeug, was von deutschen Herstellern kommt, nutzt Nickel-Metallhydrid-Batterien, denn diese Batterien sind auch sehr zyklenfest und man hat viel Erfahrung und sie waren lange Zeit billiger als Lithium-Ionen-Batterien. Und aus dem Grund wurden sie eine Zeit lang bevorzugt für Hybridfahrzeuge. Zwischenzeitlich sind die Kosten der Lithium-Ionen-Batterien deutlich gesunken. Nickel-Metallhydrid ist wegen dem vielen Nickel, was da drin ist – Nickel ist ein sehr teurer Rohstoff – potentiell nicht mehr viel billiger zu machen und Lithium-Ionen hat das kostenmäßig schon überholt, also nach unten. Aus diesem Grund sind eigentlich alle neuen Fahrzeuge, die da entwickelt werden, so, dass man da auf Lithium-Ionen-Batterien abzielt. Und immer weniger neue Industrieanwendungen setzen Nickel-Metallhydrid-Batterien ein. Also ganz klar verdrängt von Lithium-Ionen-Batterien. |
| [00:38:25] | Als Letztes vielleicht noch die LiFePos? |
| [00:38:28] | Die LiFePos. Da bin ich mir jetzt nicht ganz sicher, was dieser Spezialbegriff der Modellbauer ist. Es gibt bei den Lithium-Ionen-Batterien im großen Unterschied zu Bleibatterien verschiedene Materialien, die man einsetzt. Bei Bleibatterien hatte ich ja vorhin gesagt, da gibt es Blei und Bleidioxid, das sind die Materialien und da kann man nichts dran ändern oder variieren. Lithium-Ionen-Batterien funktionieren von ihrem grundlegenden Mechanismus ein bisschen anders. Da löst sich nämlich nichts auf. Bei der Bleibatterie löst sich das Blei auf und gibt Elektronen ab. Bei Lithium-Ionen ist das so, dass die negative Elektrode jetzt nicht metallisches Lithium ist und das Lithium sich auflösen würde, das wäre eine Lithium-Metall-Batterie, sondern es gibt ein Wirtsmaterial, das ist Graphit und in diesen Zwischenräumen der Graphenschichten, da kann jetzt pro sechs Kohlenstoffatome ein Lithium unterkommen. So, und das kann man da wieder herausholen und dieser Prozess ist hoch reversibel, denn da verändert sich das Material so gut wie nicht dabei. Deswegen kann man mit Lithium-Ionen-Batterien auch sehr hohe Zyklenzahlen, gerade im Vergleich zu Bleibatterien, erzielen. So, und dieses Wirtsmaterial, was man da jetzt verwendet, da gibt es verschiedene. Und besonders das Graphit auf der negativen ist sehr etabliert und ist in den meisten Systemen drin. Auf der positiven Seite, das erste System, was es gab von Sony 1990, hatte Lithium-Cobalt-Oxid und da kann man eben von dem Lithium ein Stück abgeben oder wieder aufnehmen. Dann hat sich das im Laufe der Zeit dazu entwickelt, dass man immer mehr von dem Cobalt herausgenommen hat. Cobalt ist sehr teuer, ist ein strategisches Material. Ziel war es also, den Cobaltanteil zu reduzieren und das hat man dadurch erreicht, dass man Teile von dem Cobalt durch Nickel und Mangan ersetzt hat. Heute Standardsystem für Elektrofahrzeuge ist ein NMC, Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid und je nachdem, wie viel da drin ist, gibt es da auch noch Varianten. So, und dann kann man auch noch andere Materialien dort einsetzen. Also die, die ich jetzt genannt habe, das ist so eine Schichtstruktur, wo wieder in die Zwischenschichten das Lithium rein kann. Und dann gibt es auch noch andere Klassen von Materialien und das wäre eine Klasse, das Lithium-Eisen-Phosphat. Und das Lithium-Eisen-Phosphat hat ein bisschen eine niedrigere Spannung. Normal, die ich nannte gerade, die haben so 3,7, 3,8 V im Mittel. Lithium-Eisen-Phosphat hat nur etwa 3,3 V, ist ganz ganz stabil über den gesamten Entladeprozess und Lithium-Eisen-Phosphat, da ist Phosphor drin, da ist Eisen drin, das Lithium ist eh das Speichermedium, hat potentiell geringe Kosten. Der Herstellungsprozess ist zwar nicht ganz einfach, da gibt es ein paar Randbedingungen einzuhalten, aber die Rohstoffe dafür sind erstmal preiswert. |
| [00:41:59] | Aktuell Faktor sieben über eine Bleibatterie im Fachhandel derzeit. Das ist nicht mal so teuer. |
| [00:42:05] | Ja, die Lithium-Eisen-Phosphat sind tatsächlich ein bisschen teurer heute als die anderen, weil sie nämlich pro Masse oder pro Gehäusegröße weniger Energie haben. Diese Unterschiede, die liegen dann doch immerhin so im Bereich von 20-30 % weniger Energie. Und das Interessante ist, dass dieses Lithium-Eisen-Phosphat an und für sich gar nicht für große Ströme geeignet ist, denn das ist ein schlechter ohmscher Leiter und da muss ja auch irgendwie von dem Kontakt der Strom erstmal dahin kommen. Und wenn das Material schlecht leitfähig ist, dann ist das nicht gut. Hat man aber dadurch gelöst, dass dieses Lithium-Eisen-Phosphat nanostrukturiert ist, also ganz kleine Partikel, kleiner als 1 µm. Und diese Partikel werden an der Oberfläche noch beschichtet, das nennen dann die Fachleute coaten, mit Graphit. Und damit hat man die Leitfähigkeit wieder hinbekommen und man hat quasi den Nachteil überkompensiert und mit den Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen können Sie, wenn die Temperatur nicht zu niedrig ist, zwischenzeitlich sehr sehr große Ströme auch bedienen. Und die wichtige Aussage jetzt ist aber die, dass bei Lithium-Ionen-Batterien je nachdem, welche Materialien jetzt die Wirtsmaterialien darstellen, unterschiedliche Zellspannungen auftauchen können. Also das Lithium-Eisen-Phosphat mit etwa 3,3 V, das Lithium-Cobalt oder NMC-System mit 3,7 V. Dann gibt es sogar ein System, wenn man Lithium-Cobalt-Oxid kombiniert nicht mit Graphit, sondern man nimmt dann Lithium-Titanat, das ist ein anderes Material an der negativen Elektrode, dann kommt man da so auf 2,8 V. Und wenn man Lithium-Eisen-Phosphat mit Lithium-Titanat kombiniert, dann kommt man nur auf 2,3 V pro Zelle und bekommt dann plötzlich eine Zelle, die zwar weniger Energie hat, weil die Spannung niedriger ist, aber diese Materialien sind extrem zyklenstabil. Lithium-Eisen-Phosphat, Lithium-Titanat, wir haben hier mal eine Lebensdauermessung gemacht und haben nach 20.000 Zyklen mangels Zeit aufgehört zu zyklisieren. Wohingegen so eine normale Zelle, also mit Lithium-Mangan-Nickel-Cobalt-Oxid gegenüber Graphit, die können je nachdem, wie sie ausgelegt sind, sagen wir mal, zwischen 1000 und die besten vielleicht 7000 Zyklen. |
| [00:44:41] | Was passiert denn da? Warum… Also das ist ja genau diese Alterung von Akkus, dass sie beim Laden dann eben nicht mehr die gleiche Leistung oder Arbeit, Energie, enthalten können und dementsprechend auch weniger abgeben, also quasi die Batterie nicht mehr so viel Strom enthält, umgangssprachlich. An was liegt das? Das hängt wahrscheinlich auch wieder von jedem System ab, was da im Detail passiert. |
| [00:45:03] | Genau, also man kann das so ein bisschen zusammenfassen. Da gibt es verschiedene Effekte. Und zwar ist es eben so, dass bei vielen dieser Systeme neben dem eigentlichen Speichermechanismus, also dass das Lithium da jetzt eine Ladung abgibt und in den Elektrolyten geht und auf die andere Seite und dann da reingeht, gibt es so genannte Nebenreaktionen, dass eben das Elektron für irgendwas Anderes verbraucht wird. Das wäre gar nicht so schlimm, das wäre Selbstentladung, aber das bewirkt dann, dass irgendeine andere Komponente oxidiert wird oder reduziert wird, je nachdem, wo man ist und quasi kaputt geht. Und bei einigen Systemen, bei Nickel-Metallhydrid, kann das dann sein, dass der Elektrolyt zersetzt wird, dann wird sie hochohmiger. Bei Lithium-Ionen-Batterien gibt es das auch, dass der Elektrolyt zersetzt wird, aber da ist der wichtigste Alterungsmechanismus der, dass auf der negativen Elektrode, was ja normal Graphit ist, diese negative Elektrode reagiert mit dem Elektrolyten als Nebenreaktion. Das ist wie so ein Korrosionsprozess. Wenn man ein Stück Eisen draußen hinlegt, fängt das an zu rosten, so ähnlich reagiert das hier auch. Und da bildet sich eine Deckschicht. Und diese Deckschicht besteht dann aus Lithium und aus Teilen des Elektrolyten und vielleicht sogar noch ein bisschen Kohlenstoff. Die verbraucht speicherbares Lithium und das fehlt mir dann für den Speicherprozess. So, und dieser Prozess schützt dann dieses Graphit vor weiterem Angriff. Und das hängt damit zusammen, dass diese Deckschicht elektronisch isolierend ist. Und dann kommen die Elektronen nicht mehr an die Grenze Elektrode-Elektrolyt und dann wächst die immer langsamer und hört irgendwann auf. Wenn das perfekt funktionieren würde, dann würde man nur bei der Herstellung ein bisschen was verlieren. Und dann wäre es stabil. Jetzt ist es aber so, dass dieses Graphit, wenn man das auflädt, eine kleine Volumenarbeit zeigt. Nämlich, wenn Sie die Zelle aufladen, dann dehnt sich das Graphit je nachdem, wie es ausgelegt ist, bis zu 10 % im Volumen aus und diese Volumenarbeit führt jetzt zur mechanischen Beschädigung dieser Deckschicht. Und was passiert dann? Das heilt sich wieder. Das ist, wie wenn man sich verletzt. Und dabei werden wieder Materialien verbraucht. Und auch, wenn man diese Zelle bloß liegen lässt, ist es ein langsamer Prozess, dass da halt doch noch ein paar Ladungsträger da durchgehen, dann wächst die Schicht langsam weiter. Das bedeutet gerade bei Lithium-Ionen-Batterien: Die gehen auch kaputt nur durchs Lagern, weil diese Deckschicht wächst. Und wenn die Deckschicht wächst, heißt das zum Einen: Es fehlt Kapazität, weil mein Lithium als Ladungsspeicher dadurch weniger wird. Und zum Zweiten bildet diese Deckschicht auch einen zusätzlichen Innenwiderstand oder ein Impedanzelement und die Zelle wird weniger leistungsfähig. Und die Kunst oder das Wissen eines guten Herstellers besteht nun dadrin, die Deckschicht in ihrem Wachstum zu beeinflussen mit geeigneten Zusätzen zum Elektrolyten. Das ist ein bisschen Alchemie, die da dahinter steckt. |
| [00:48:39] | Gut gehütete Cola-Rezepte. |
| [00:48:40] | Da gibt es viel Erfahrung auch der Elektrolyt-Hersteller in Zusammenarbeit mit den Elektroden-Leuten. Und da kann dann eben eine gute Zelle eine wesentlich höhere Lebensdauer erreichen als eine nicht so gute Zelle. |
| [00:48:58] | Eine ganz konkrete Frage von einem Hörer war: Was macht der Hersteller eneloop anders als andere Hersteller, weil die scheinbar als einzige Akkus mehrere Jahre lang benutzbar sind. Und das war wahrscheinlich gerade die Antwort. Der hat irgendwie eine gute Idee gehabt, wie er diesen Alterungsprozess in den Griff kriegt. Sagt dir der Hersteller was? |
| [00:49:15] | Jaja, also eneloop ist ein Markenname und ist ein Ableger von Sanyo. Sanyo ist ein sehr großer Hersteller von Nickel-Metallhydrid-Batterien. Und Nickel-Metallhydrid-Batterien haben eine sehr unangenehme Eigenschaft, jetzt sind wir wieder bei Nickel-Metallhydrid und nicht mehr Lithium-Ionen, dass sie eine relativ hohe Selbstentladung haben. Wenn man eine Nickel-Metallhydrid-Batterie aufgeladen hinlegt und die dann vielleicht auch noch ein bisschen warm wird, weil die Sonne draufscheint, also 30°, dann ist die nach wenigen Monaten leer, weil die Selbstentladeprozesse dann zum vollständigen Entladen der Zelle geführt haben. Spielt in einem Hybridauto keine Rolle, weil da fahre ich ja immer wieder ein bisschen und der Energieverlust, den ich habe, der ist nicht groß. Aber für so einen Gelegenheitsfotografen, der in seiner Kamera zwei so Zellen hat und die halt zu Ostern und zu Weihnachten und zum Geburtstag raus holt, wie das viele machen, oder den Akkuschrauber, der ist dann natürlich immer enttäuscht, weil er hat es doch eigentlich aufgeladen und wenn er es verwenden will, dann ist keine Kapazität verfügbar. Und die Weiterentwicklung dieser Nickel-Metallhydrid-Batterien wurde dann eben genau von dieser Firma mit diesem Handelsnamen vorangetrieben, nämlich mit dem Ziel, diese Selbstentladung signifikant zu reduzieren. Und der ursprüngliche Gedanke bestand dadrin, dieses System als Konkurrenz zu den Primärbatterien zu nehmen. Sie gehen in den Supermarkt, kaufen Primärbatterien, diese Alkali-Mangan, die sind auch nicht so teuer und je nachdem, von wo Sie die kaufen. Und die sind im voll geladenen Zustand. |
| [00:51:08] | Stimmt, wenn die Selbstentladung hätten, das wäre ja ein Witz. |
| [00:51:11] | Genau, Selbstentladung von solchen Zellen, die liegt so bei 3 % pro Jahr. Und die kann man so drei, vier Jahre auch liegen lassen, wenn die Temperatur so 20° beträgt. So, und wenn man natürlich mit denen konkurrieren will, dann muss man so eine wiederaufladbare Zelle daneben hängen und die muss dann quasi, wenn ich die auspacke, zumindest einigermaßen voll sein. Und genau das hat eben dieser Hersteller erreicht, dass die Selbstentladung dieser Zellen am Anfang gar nicht so viel besser ist, aber das hört dann so bei 85 % Ladezustand, geht die Selbstentladung sehr stark zurück. Und nach einem Jahr hat man so 85 % Ladezustand noch. Und diese Zellen, die gibt es auch von anderen Herstellern, da heißen die infinity oder everready oder wie auch immer. Das erreicht man dadurch, dass man mit geeigneten Komponenten, und die Komponenten, die findet man jetzt an beiden Elektroden. Also man hat ein paar Anpassungen an der negativen Elektrode, an dem Metallhydrid gemacht, dass eben die Selbstentladung da geringer wird. Man hat Anpassungen an der positiven Elektrode gemacht, dass ist da Nickel-Hydroxid und auch der Elektrolyt hat hier Zusätze, damit die Selbstentladung klein wird. Nachteil ist: Durch diese Anpassungen haben diese Zellen 15-20 % weniger Kapazität im Vergleich zu den gleich großen Zellen, die die höhere Selbstentladung haben. Und normalerweise ist halt das Verkaufsargument die Kapazität, die draufgedruckt ist. Und wenn da halt dann auf der einen Zelle 2400 mAh draufstehen und auf der anderen 2000, dann braucht man einen guten Grund, dass die Leute zu der Zelle mit der schlechteren Zahl greifen. Und das ist dann diese geringe Selbstentladung. |
| [00:53:20] | Hängt der Begriff Memory-Effekt irgendwie damit zusammen? |
| [00:53:24] | Jain, also der Begriff Memory-Effekt kommt tatsächlich von den nickelbasierten Systemen und eigentlich sogar schon vom Vorgänger, von Nickel-Cadmium. Da haben wir noch nicht drüber geredet. Nickel-Cadmium ist laut einer Vorgabe der EU in Europa zwischenzeitlich verboten für diesen Einzelhandel. Es gibt nur noch Spezialanwendungen, bei denen die Rückführung gesichert ist. Spezialanwendungen sind Industrietraktionen zum Beispiel. Es gibt da in Fabrikgebäuden autonome Fahrzeuge, die irgendwelche Materialien da rumfahren. Da wird sehr stark zyklisiert, das macht man zum Teil noch mit Nickel-Cadmium, weil die so zyklenfest sind. Und es gibt in Flugzeugen übrigens zum Starten besonders gern Nickel-Cadmium-Batterien, denn… aus zwei Gründen. Der eine Grund: Nickel-Cadmium ist das einzige System, was bei niedrigen Temperaturen sehr gut funktioniert. Das geht mit Lithium-Ionen nicht, das geht mit Nickel-Metallhydrid nicht. Es ginge auch mit Blei. Und der zweite entscheidende Vorteil für die Luftfahrt ist: Es geht drucklos. Wenn Sie die überladen, dann blubbert die halt und gibt das ab. Wenn Sie eine Nickel-Metallhydrid-Batterie überladen und das Sicherheitsventil klemmt, dann fliegt Ihnen die um die Ohren. Und das ist eine sehr ungünstige Eigenschaft für Anwendungen im Flugzeug. Das heißt, Starterbatterien in Flugzeugen eben auch klassisch noch viel Nickel-Cadmium. So, und jetzt kommen wir zum Memory-Effekt. Und der Memory-Effekt trat das erste Mal auf in Satelliten, also zumindest das erste Mal wurde er dort entdeckt. Satelliten, seinerzeit auch mit Nickel-Cadmium-Batterien betrieben, wenn die um die Erde, also nicht geostationär fliegen, sondern eben schneller, dann sehen die immer auf der einen Seite die Sonne und auf der anderen Seite sind sie im Schatten. Deswegen brauchen sie ein Speichersystem für die Solaranlage, dass, wenn sie auf der Sonnenseite sind, die Batterien aufladen und auf der Schattenseite die Batterien entladen. Das Problem dabei, also nicht das Problem, das Besondere dabei war, dass dieser Satellit bei jedem Zyklus genau den gleichen Zyklus sah. Ich weiß jetzt nicht genau, wie tief der war, aber nehmen wir mal an, in einer Runde hat der 30 % aus dem Akku rausgeholt und wenn er wieder auf die Sonnenseite kam, hat er den wieder voll geladen. Dann hat der das immer wieder so gemacht. Und die Batterie wurde immer zwischen zwei Ladezuständen hin und her zyklisiert. Und dann gab es den Fall, dass durch irgendeine Änderung, ich weiß nicht, was da genau jetzt passiert ist, plötzlich mehr Energie gebraucht wurde und die Batterie konnte diese Energie nicht liefern. Die hatte sich quasi dran gewöhnt, dass man von ihr bloß 30 % will und da muss man ja auch nicht mehr tun. Und da kam das das erste Mal auf. Und dann hatte man mit vielen Arbeiten das untersucht, woran das liegt. Und es gibt tatsächlich zwei Effekte. Und bei der Nickel-Cadmium-Batterie gibt es einen Effekt, der kommt aus der Cadmium-Elektrode und da man in der Cadmium-Elektrode als Stromableiter irgendein Nickelblech hat oder durch den Sinterprozess da Nickel mit reinkommt, gibt es da eine intermetallische Phase zwischen Cadmium und Nickel, die entstehen kann. Und die hat eine niedrigere Spannung. Und das bedeutet, wenn das entsteht, wenn diese Phase entstehen kann, dann entsteht beim Entladen eine zweite Entladestufe mit etwa 100 mV niedrigerer Spannung. Und dann schaltet halt ein Tiefentladeschutz ab, denn die Zellspannung mit 1,2 V ist relativ niedrig. Abschaltspannung liegt bei etwa 1,0 V. Und wenn man dann halt durch diese zweite Stufe darunter fällt, dann kann man den hinteren Teil nicht mehr nutzen. Und dann hat man das auch in den Griff gekriegt und festgestellt: Den Effekt gibt es also immer noch. Und es gibt interessanterweise auch an der Nickel-, also an der positiven Elektrode so einen Memory-Effekt. Den nennt man dann in den Medien sehr oft lazy, battery-lazy-effect, also Ermüdungseffekt, der sich auch so auswirkt. Wenn man immer gleich zyklisiert, dann merkt sie sich das und beim einmal weiter zyklisieren ist die Spannung so 50 mV niedriger. Das hängt damit zusammen, dass diese Nickel-Elektrode verschiedene Phasen haben kann und sich je nachdem, wie man die betreibt, in gewissen Bereichen umwandeln kann. Und dann kommt man auch auf so eine niedrigere Stufe. Und das ist das, was die meisten heute unter dem Memory-Effekt verstehen, was in der Literatur oft als battery-lazy-effect beschrieben wird. Und das Interessante ist: Wenn man die Batterie dann einmal richtig durchzyklisiert, … |
| [00:58:22] | …dann geht sie wieder. |
| [00:58:23] | … also wenn man die zweite Entladestufe mit der etwas niedrigeren Spannung einfach durchfährt, bis sie wirklich leer ist und dann die Batterie wieder komplett auflädt, dann stellt man fest: Dann ist das wieder weg. Deswegen ist der reversibel. Bei Flugzeugbatterien übrigens gibt es aus diesen Gründen eine Wartungsvorschrift, die darin besteht, dass man die Nickel-Cadmium-Batterien tiefentladen muss. Ich bin mir nicht sicher, ob das alle 500 Flugstunden oder 500 Starts ist. Da gibt es also irgendeine Vorschrift und da werden diese Zellen dann komplett entladen. Die werden kurzgeschlossen, wenn sie leer sind, damit sie wirklich ganz ganz leer sind. Und dann werden die wieder frisch aufgeladen. Schadet der Batterie lebensdauermäßig, wenn man das nicht zu oft macht, nicht und baut eben solche Effekte ab. Und dieser etwas unangenehme Effekt, Memory-Effekt, den gibt es bei Lithium-Ionen-Batterien nicht, wobei es jetzt auch schon erste Anzeichen gibt, dass es da auch solche Effekte geben kann. Das sind dann wieder andere Effekte. |
| [00:59:35] | Tiefentladen heißt einfach: Das Ding so lang aussaugen, bis gar nichts mehr drin ist? Und das ist für manche Batterien gut und für andere schlecht? |
| [00:59:46] | Genau. Jetzt waren wir ja gerade bei der Nickel-Cadmium-Batterie, da macht man das ja von Zeit zu Zeit ganz bewusst, damit eben diese reversiblen Dinge komplett abgebaut werden und es von vorne losgeht. Da ist das von Zeit zu Zeit sehr gut. Tiefentladung ist dadurch definiert, dass es eine Bedingung gibt, bei der die Batterie per Definition leer ist und der Entladevorgang gestoppt werden muss oder sollte. Und der ist in der Regel so definiert: Beim Entladen mit einem konstanten Strom ist das eine untere Spannungsschwelle, die Entladeschlussspannung. Bei einer Nickel-Batterie, was weiß ich, 0,9 V. Und wenn man die Spannung erreicht, ist dann Schluss. Und wenn man weiter entlädt, wenn man bei 0,9 nicht aufhört, dann kommt es zu einer Tiefentladung. Und bei Lithium-Ionen-Batterien ist das 3,0, vielleicht 2,7 V. Bei Bleibatterien ist es 1,8 V. Steht meistens in den Datenblättern drin, diese untere Betriebsspannung. So, und jetzt kommt das eigentliche Problem, dass wir eine Serienschaltung haben. Nehmen wir mal unsere schöne Autobatterie mit den sechs Zellen, um die 12 V zu haben. Und wenn die Zellen nicht genau die gleiche Kapazität haben, weil da Streuungen drin sind von der Herstellung oder weil die Zelle in der Mitte wärmer geworden ist durch den Betrieb und vielleicht ein bisschen schneller gealtert ist, dann passiert folgendes: In der Serienschaltung werden die alle gleich schnell entladen. Und die Zelle mit der geringsten Kapazität erreicht diese Tiefentladeschwelle zuerst. Wenn wir jetzt nur die Gesamtspannung messen, die anderen fünf Zellen haben dann noch ein bisschen mehr Spannung, dann wird die eine weiter entladen und die wird dann tiefentladen. Und das kann bei Zellen, bei Systemen mit vielen in Serie geschalteten Zellen dazu führen, dass die sogar umgepolt wird und die Zelle negativ aufgeladen wird, bzw. die macht dann bloß noch Wärme. Und das ist dann zum Teil sehr schädlich, also Tiefentladung je nach System ist mehr oder weniger kritisch. Bei Nickel-Cadmium, haben wir darüber gesprochen, kann es sogar gut sein. Bei Lithium-Ionen ist es so: Wenn man die tiefentlädt, dann sind die in der Regel relativ schnell dauerhaft geschädigt. Und das hängt damit zusammen, dass bei Lithium-Ionen-Batterien… Die negative Elektrode ist ja das Graphit, muss man irgendwie kontaktieren mit einem metallischen Ableiter. Und da nimmt man Kupfer und dieses Kupfer ist nicht mehr stabil, wenn die Spannung dann zu niedrig wird, also wenn sie tiefentladen wird, dann löst sich dummerweise dieses Kupfer auf. Das reagiert dann so wie die anderen Materialien reagieren sollten. Und wenn man die Zelle wieder auflädt, dann reagiert das auch wieder, aber dummerweise weiß das Kupfer-Ion nicht mehr, wo es hergekommen ist und geht dann ärgerlicherweise zwischen die Elektroden, auch wenn es von der Rückseite kommt, und bildet Kurzschlüsse. Und das gibt dann sogenannte Dendriten, also wie so Nadeln und die Zellen können dann Kurzschlüsse bekommen. Und das ist bei Lithium-Ionen aus Sicherheitsgründen sehr sehr gefährlich. Und gerade alte Lithium-Ionen-Zellen, die beim Laden dann warm werden oder auch merkwürdigerweise sehr warm werden, haben oft genau solche Defekte. Und da sind schon mehrere Brände entstanden, weil die Zellen dann durchgehen. Moderne Ladegeräte versuchen das zu erkennen. Die fangen mit ganz ganz kleinen Ladeströmen an, gucken: Ist da irgendwie so ein Bypass drin, also eine Kurzschlussbrücke drin? Und wenn mit den kleinen Strömen dann die Spannung nicht gewisse Werte erreicht, dann lädt das Gerät nicht weiter, weiß ich, blinkt die LED da drauf, Ladevorgang wird dann gestoppt, um eben nicht in so eine sicherheitskritische Problematik zu kommen. |
| [01:03:58] | Das Gegenteil ist einfach überladen. Was passiert da? Ist das im Prinzip ein ähnliches Problem, dass dann da drin irgendwelche Reaktionen stattfinden, die dann die Zelle zerstören? |
| [01:04:08] | Genau, also vollkommen richtig. Wenn man überlädt… Es ist immer so: Wenn man die aktiven Materialien verbraucht hat, egal ob in Lade- oder Entladerichtung und man weiter Strom führt, dann muss der Strom irgendwie fließen. Und dann wird die nächste Reaktion, die in der Spannungsreihe kommt, den Strom aufnehmen. Das heißt, dann geht die Spannung beim Tiefentladen nach unten, diese Kupferauflösung wäre dann zum Beispiel die nächste, die nimmt dann Strom auf. Und beim Überladen würde die Spannung nach oben gehen. Die Bleibatterie fängt an zu gasen. Die alten Bleibatterien oder die mit flüssigem Elektrolyten, da kann man dann danach die Stopfen aufschrauben, kann demineralisiertes Wasser nachfüllen, da macht das relativ wenig aus. Bei Lithium-Ionen-Batterien ist das Überladen wieder sehr gefährlich, denn da kann man die auch mit ins thermische Durchgehen bringen. Allerdings muss man dann je nach System 50 % mehr reinladen, als sie hat. Also da ist schon ein bisschen ein Polster, das passiert nicht gleich, aber sie wird auf jeden Fall lebensdauermäßig geschädigt. |
| [01:05:26] | Das heißt aber, so ein Ladegerät muss schon was wissen von der Batterieart, von dem System, dass es lädt. Damit es eben weiß, bei welcher Spannung es aufhören muss oder dass es zum Beispiel weiß, wie sich der Ladestrom mit der Zeit verändern müsste, um dann zu erkennen, ob es da Fehler in der Batterie gibt? |
| [01:05:44] | Genau, also es gibt erst mal diese Ladekennlinien, die abgefahren werden oder von dem Ladegerät geregelt werden, wenn dieses System sich ganz normal verhält. Und dann gibt es natürlich Überwachungsfunktionen, wie gerade erwähnt, wenn irgendwelche Fehler drin sind, damit eben dieses normale Ladeverfahren erst gar nicht startet. Und diese Ladekennlinien, die sind jetzt für die Systeme wieder sehr unterschiedlich. Deswegen kann man auch nicht mit einem Ladegerät für eine Nickel-Metallhydrid-Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie laden, die würde damit sofort überladen oder sehr schnell überladen werden. Und andersrum würde es auch nicht gehen. Das bedeutet, es muss ein geeignetes Ladeverfahren für die jeweilige Zelltechnologie da gewählt werden. Die Ladeverfahren typischerweise werden in den Datenblättern angegeben. Es gibt Standard-Ladeverfahren für verschiedene Technologien, die auch in Normen festgeschrieben sind. Und so ein Ladegerät muss dann zum Beispiel die Spannungsregelung bei einer Lithium-Ionen-Batterie auch sehr genau machen. Da gibt es nämlich dann die Vorschrift, dass das auf 1 % genau regeln muss. Das hört sich jetzt nicht schlimm an, 1 %, aber eine Lithium-Ionen-Batterie in einem Auto, die da vielleicht zehn Jahre oder auch bis 15 Jahre leben soll oder in einem stationären System, wo wir uns dann 20 Jahre Lebensdauer vorstellen, muss auf das gesamte Leben natürlich diese Genauigkeit eingehalten werden, sonst geht eben die Lebensdauer drastisch nach unten. |
| [01:07:25] | Wie kommt es, dass man manche Batterien, wie zum Beispiel angeblich die vom Tesla innerhalb von, weiß ich nicht, einer halben Stunde 80 % voll kriegt und dann die restlichen 20 % nochmal, weiß ich nicht, zwei Stunden brauchen. Die genauen Zahlen stimmen nicht, aber… Schnell auf so ein 80 % Level und die restlichen 20 % ewig. Kennt man aus dem Projektgeschäft, da dauern auch immer die letzten 20 % genauso lang wie die ersten 80, aber an was liegt das bei den Batterien? |
| [01:07:51] | Das ist der menschliche Faktor bei Batterien, genau. Nein, nein, das kann man jetzt wieder auch mit den Nebenreaktionen erklären. Und zwar ist es so: Diese Zellen, die da in dem Tesla drin sind, die kann man jetzt erst mal mit Strömen belasten in Entladerichtung, also dauerhaft belasten. Damit könnte man theoretisch in einer halben Stunde voll laden. Theoretisch. Und deswegen ist die Stromtragfähigkeit in der Zelle, also alles, was die Stromleiter betrifft, die können diesen Strom. Und jetzt geht es wieder um die Elektrochemie und die Frage: Was sind die limitierenden Faktoren in so einem System beim Laden? Und da kommt jetzt an der Stelle, dass beim Laden die Spannung nach oben ausweicht, also die Zellspannung wird größer. Und die größere Zellspannung führt jetzt zur Aktivierung von Nebenreaktionen, die sich da in den Spannungsbereichen dann auch tummeln, wie eben Elektrolytzersetzung und Alterung. Und aus dem Grund ist so ein Ladeverfahren für eine Lithium-Ionen-Batterie so, dass am Anfang mit einem konstanten Strom geladen wird, bis man eine Spannungsschwelle erreicht und dann wird die Spannung konstant gehalten, wegen diesen Nebenreaktionen. Und dann geht der Strom in etwa exponentiell runter und das dauert dann da hinten lang. Und dieser Übergang von konstantem Strom auf konstante Spannung, je nach Zelldesign, aber das kann man sagen, ist so etwa bei 80 % Ladezustand. Deswegen kann man bis zu dem Punkt relativ gut hin laden. Und ein anderer Grund, warum man Lithium-Ionen-Batterien im Bereich so dann oberhalb von 70 % nicht zu schnell laden sollte, ist der, dass an der negativen Elektrode, da wo das Graphit ist und das Lithium in das Graphit rein soll, das nennt man interkalieren, nicht viel Spannungsabstand zur metallischen Lithiumabscheidung haben. Also das heißt, wenn alles normal läuft, dann kommt das Lithium+ Ion an und interkaliert in das Graphit bei einer Spannung von etwa 100 mV oberhalb der Lithium-Metallabscheidung. So, und wenn jetzt dieser Prozess, dass das Lithium ins Graphit hineingeht, nicht mehr schnell genug abläuft, zum Beispiel weil es sehr kalt ist, dann ist dieser Prozess gehemmt, also unterhalb von 0°, oder weil die Zelle schon sehr voll ist, oder weil der Strom sehr groß ist, dann weicht die Spannung wieder aus. Und dann entsteht gleichzeitig metallisches Lithium und dieses metallische Lithium, das reagiert mit dem Elektrolyten und führt zu einer relativ schnellen Alterung. Also Lithium-Ionen-Batterien zu schnell aufladen ist in der Regel immer mit schneller Alterung verbunden. |
| [01:10:58] | Machen aber Ladegeräte in irgendwelchen Laptops oder Handys schon richtig, weil die das ja wissen, was da für ein Akku drin ist, in aller Regel eigentlich? |
| [01:11:06] | Das ist abgestimmt. Zudem kommt dazu, dass dann der Ladestrom nicht so groß ist, dass das Ding in einer halben Stunde voll ist. Typischerweise ist in so einem Laptop ein Akku drin, der hat, weiß ich nicht, 60-90 oder vielleicht sogar 100 Wh heute. Und so ein Ladegerät hat auch 60-90 Wh. Das heißt, der maximale Strom ist etwa so, dass man in einer Stunde laden könnte, wenn der Laptop aus ist und nicht selber auch noch Strom braucht. Deswegen kommt man da nicht so stark rein. Bei den Elektrofahrzeugen ist es natürlich so, dass die Ladegeschwindigkeit ein signifikanter Nachteil gegenüber den konventionellen Fahrzeugen ist. Und man versucht eben durch Schnellladung da die Akzeptanz zu steigern. |
| [01:11:51] | Diese Supercharger, die Tesla da überall verbaut, zum Beispiel. |
| [01:11:53] | Ja, Supercharger. Und da kommt man eben dann an diese Grenzen dran. Wenn man die Tesla-Batterie immer mit dem Supercharger auflädt, dann wird die Lebensdauer mit großer Wahrscheinlichkeit auch kürzer sein als wenn man die immer mit einem kleinen Strom auflädt. So als Faustformel gilt eigentlich: Je schonender, langsamer man eine Lithium-Ionen-Batterie auflädt, desto länger hält sie. Schnellladen ja, aber nicht immer. |
| [01:12:27] | Wenn ich mal so eine Lithium-Ionen-Batterie im Handy hernehme, dann ist die, weiß ich nicht, 2-3 cm³ groß, weiß ich nicht, keine Ahnung… |
| [01:12:38] | Fünf mal vier, 20 cm² etwa Fläche und dann ist die vielleicht so einen halben… 10 cm³ maximal, ja, genau. |
| [01:12:48] | Und wenn man das jetzt mit einem Auto vergleicht, wo dann eine ganze Menge Handybatterien, wie es so schön heißt, verbaut sind. Das sind ja… Sind das wirklich identische Zellen, oder was passiert da an zusätzlicher Infrastruktur, Überwachungsladungsregelungselektronik? Was muss ich tun, um so ein kleines System zu skalieren auf so eine große Anwendung wie ein Elektrofahrzeug? |
| [01:13:11] | Das Ganze ist ja sehr populär geworden durch den Tesla. Im Übrigen hatte das übrigens auch der Mini-E von BMW mit solchen kleinen Zellen. Also es ist jetzt nicht so, dass das nur der Tesla gemacht hat, bloß der BMW hat dann sich eben entschieden mit großen Zellen später zu arbeiten. |
| [01:13:29] | Und Tesla macht allgemein, glaube ich, die bessere PR rund um das ganze Thema. |
| [01:13:32] | Ja, genau. Und das hat alles Vor- und Nachteile. So, und die Zellen, die man dort nimmt, sind jetzt keine Handyzellen. Handyzellen, wie wir gerade festgestellt haben, haben ein relativ kleines Volumen, sind relativ flach. Und die Zellen, die für Fahrzeuge verwendet werden, sind runde Zellen, die früher auch in den etwas dickeren Laptops, also weiß ich, noch so vor zwei, drei Jahren waren die Laptops noch so 2 cm dick. Und diese Zellen, die es da als Standardzellen gibt, haben 18 mm Durchmesser und sind 6,5 cm lang. Und die Bezeichnung für dieses Format ist 18650. Das ist die meistgebaute Lithium-Ionen-Zellgröße, die es gibt und wird heute zum Beispiel, ich sage mal, in den einfachen Laptops noch eingesetzt, wird heute in Akkuschraubern eingesetzt, in Elektrowerkzeugen, eigentlich in allen Anwendungen, wo man ein bisschen mehr Energie braucht und wo man diese Zelle vom Format unterbringt. Denn das ist auch die preiswerteste Zelle, die es gibt. Also die wird in Masse produziert und eine runde Zelle… Das wird dann aufgewickelt, diese Elektroden. Das ist prozesstechnisch eben leichter als so eine flache Zelle, die muss man nämlich eben wieder so flach wickeln, das ist gar nicht so ohne an den Kanten. Und man muss die Elektroden schneiden und muss die stapeln, denn man braucht tatsächlich große Flächen aufgrund dessen, dass die Zellen so dünn sein müssen wegen der Leitfähigkeit, muss man das mit Fläche wieder reinholen. Und diese 18650-Zellen sind die Zellen, die eigentlich immer die technologisch besten Materialien einsetzen. Die Zellen, die es heute gibt mit der höchsten spezifischen Energie, die Panasonic liefert und die gut 250 Wh pro kg haben, die sind in diesem Gehäuseformat. Da hat man wahnsinnig viel Erfahrung. Man weiß auch vom Design: Wie kann man den Raum da drin am besten ausnutzen? Es gibt Elemente für die Sicherheit, die da rein passen, so ein Stromunterbrecherkontakt, der da oben in dem Kopf drin ist. Das ist alles vom Design so seit der Erfindung der Lithium-Ionen-Zelle, das war auch die 18650-Zelle übrigens, die da von Sony damals kam, hat man nur durch Design quasi die Kapazität um den Faktor 2 verbessert. Mit den gleichen Materialien. Das war nicht so, dass man da ganz tolle Materialien eingesetzt hat, sondern man hat am Design… |
| [01:16:15] | Also am Engineering, Packung, Format… |
| [01:16:16] | Am Engineering, Packung, Format, aber ich sage mal auch so dieses Chemie-Engineering. Also wie viel Porosität brauche ich in den Aktivmaterialien? Das hat man auch reduziert. Und nur dadurch hat man viel erreicht. Und erst in den letzten, sage ich mal, fünf, sechs Jahren hat man an den Materialien was geändert und hat eben jetzt da nochmal 20 % rausgeholt. Und das ist deswegen die ausgereifteste Zellgeometrie. Und die preiswerteste. Und da gibt es sehr sehr unterschiedliche. Da gibt es Zellen, die sind für Hochenergieanwendungen, wie die gerade erwähnten. Das heißt, da kann man nicht so große Ströme rausziehen, dafür hat sie sehr viel Energie. Und es gibt Spezialzellen, die für diese Akkuschrauber eigentlich entwickelt wurden oder für die Elektrowerkzeuge entwickelt wurden, die dann auch die Modellbauer einsetzen, die eben weniger Energie haben, aber die dann riesige Ströme können. So eine Zelle kann dann 30 A, so eine kleine runde Zelle und liefert aber dann deutlich weniger Energie als eben so eine Hochenergie-Zelle. |
| [01:17:28] | Und das ist die gleiche Chemie im Grunde, aber anders konstruktiv… anders gepackt, anders porös? |
| [01:17:38] | Ja, genau. Also es ist erst mal tatsächlich so, dass man durch Schichtdicken, durch Porositäten da und durch Elektrolyten was verändern kann. Natürlich sind es dann auch die Materialien, die da vielleicht ein bisschen anders sind. Und wenn man jetzt so eine Zelle nimmt, wie sie im Mini-E war oder im Tesla ist, dann kann die quasi auf den gleichen Maschinen produziert werden wie die Zelle, die im Akkuschrauber ist. Und das ist mal sehr attraktiv. Wir haben einen weiteren Vorteil: Sehr geringe Ausfallraten bei diesen Zellen. Das heißt, wenn Sie da eine Million bauen, dann funktionieren da auch fast eine Million. Also 0,… bpm kriegt man da hin. Zumindest die, die dann hinten tatsächlich rausgehen. Und das ist natürlich toll. Und es ist dann so, zum Beispiel wenn man jetzt den BMW i3 anschaut, nicht den BMW i3, den Mini-E, den Vorgänger, den es gab, da kamen die Zellen von einem Hersteller aus Taiwan. Und diese Zellen waren schon ein bisschen modifiziert für Automotive, aber die waren noch sehr nah an den Consumer-Zellen dran. Und wenn man die brutal betreibt, sind die auch relativ schnell kaputt. Aber diese Zellen werden tatsächlich in so einem Auto relativ langweilig betrieben. Also die werden da nicht wirklich stark zyklisiert. Wir haben solche Autobatterien schon zerlegt, wo die Fahrzeuge dann 30.000 km runter hatten. Da waren die Zellen nach wie vor sehr gut. Also die altern im Fahrzeug eher langsamer als bei simulierenden Laborversuchen. Und auch beim Tesla, der hat nun Zellen eines japanischen Herstellers drin, die schon von Haus aus eine sehr hohe spezifische Energie, die sind heute bei 220 Wh pro kg, und die wurden jetzt systemisch aber optimiert. Und zwar hat so eine normale Zelle oben an diesem Pluspol, da wo so diese Nase ein bisschen rausschaut, da hat die einen Überdruckschalter drin. Das heißt, wenn die Zelle überladen wird oder einen anderen Fehler hat, dann wird der Elektrolyt zersetzt und dann gibt es Überdruck in der Zelle. Und wenn das dann nicht aufhört, würde die Zelle irgendwann eine Sollbruchstelle öffnen oder, wenn es die nicht gäbe, vielleicht auch explodieren. So eine Standardzelle, wie sie im Akkuschrauber drin ist, hat einen Unterbrecherkontakt. Durch den Druck wird dann ein Kontakt aufgerissen und die Zelle deaktiviert sich dann zum Beispiel. Und so eine Laptopzelle, die nicht ganz so große Ströme kann, die hat dann noch zusätzlich so einen temperaturabhängigen Widerstand, einen PTC, positive temperature coefficient, der dann ein weiteres Schutzelement bildet. Der Tesla hat mit dem japanischen Hersteller dann diese Schutzelemente aus der Zelle rausgenommen, um Masse zu sparen, denn die wiegen auch was, und hat diese Zellen jetzt nicht mit einer super-niederohmigen Verbindungstechnik alle verbunden, sondern mit Bonddrähten. |
| [01:21:03] | Sagt mir nichts. |
| [01:21:04] | Ein Bonddraht ist wie auf einem Chip, wird das gebondet, ein dünner Draht, der dann eben von dem Element zum Kontakt geht. Und dieser Draht ist da quasi gleichzeitig eine Sicherung. |
| [01:21:19] | Der brennt sozusagen durch? |
| [01:21:20] | Der brennt dann durch. Der hat ein paar wenige Milliohm für so eine Zelle und der brennt dann durch und das ist ein superleichtes Element, was man da quasi nehmen kann. Und das heißt, da sieht man jetzt schon: Die Zelle allein ist es nicht. Man muss dann ans System denken. Und wenn man da Dinge geschickt kombiniert, dann kann man am Schluss da draus einen Vorteil haben. |
| [01:21:42] | Gewichtsmäßig in dem Fall? |
| [01:21:43] | Gewichtsmäßig, volumenmäßig, weil natürlich dann der Freiraum, der da oben ist… Da kann man ja wieder Material rein füllen, kann die Elektroden ein bisschen länger machen und dann das besser füllen. Und diese Gigafactory, von der jetzt alle reden, die wird auch so runde Zellen bauen, aber so wie die aktuellen Informationen sind, wird die Zelle ein bisschen größer. Also die wird nicht mehr 18 mm, sondern 20 mm Durchmesser haben. Und sie wird nicht mehr 6,5 cm, sondern 7 cm lang sein. |
| [01:22:19] | Okay, und warum ist das…? |
| [01:22:22] | Ich denke, dass man da die Zellgröße versucht hat zu optimieren bezüglich Wärmehaushalt und Energieinhalt. Je größer eine Zelle, desto attraktiver, weil natürlich das ganze Gehäuse weniger ins Gewicht schlägt, aber desto schwieriger ist das thermisch zu handeln. |
| [01:22:41] | Wegen Volumen vs. Oberfläche? |
| [01:22:42] | Genau, Volumen vs. Oberfläche. Und aus dem Grund haben sich die… Aktuell ist immer die Rede von so einem Zellformat und so eine Zelle hat dann 5 Ah im Gegensatz zu heute 3,5, was so eine Zelle hat. Und das scheint jetzt aus deren Sicht ein guter Kompromiss der Parameter zu sein, wohingegen eben andere große Zellen nehmen. In so einem Fahrzeug hier sind eben Zellen mit 60 Ah drin, das bedeutet, die Anderen müssen da dann, weiß ich nicht, wie viel das sind, 20 etwa parallel schalten, um dann die gleiche Kapazität oder Energie zu haben. |
| [01:23:25] | Und weil du gerade sagst „parallel schalten“: Werden die tatsächlich einfach alle parallel geschaltet und dann einfach gleichzeitig alle gemeinsam entladen? Oder hängt da irgendeine Elektronik drin, die sagt: „Nimm erst mal die ersten 20 % und mach die leer und dann nimm die nächsten, dann kühlen die wieder ab und…“ – Keine Ahnung? |
| [01:23:41] | Nein, genau, also es ist tatsächlich so, dass es bei Lithium-Ionen-Batterien am günstigsten ist, wenn man viele Batterien hat. Und die könnte man jetzt… Man braucht eine gewisse Energiemenge und man dürfte sich jetzt überlegen: Ich entlade die alle gleichzeitig mit möglichst kleiner Leistung oder ich mache das irgendwie gesteuert und nehme mehr Strom für gewisse Zeiten aus Zellen raus. Oder auch beim Laden – es ist tatsächlich so, dass in der Regel der günstigste Fall ist, mit möglichst kleinstem Strom diese Zellen zu betreiben. Und da ist dann erst mal die Schlussfolgerung: Es macht keinen Sinn, das steuerbar zu machen. Das Zweite ist: Dadurch, dass diese Zellen, die da verwendet werden in den Parallelschaltungen, nicht eine ganz waagerechte Kennlinie haben, sondern zwischen geladenem Zustand und entladenem Zustand etwa 1 V Spannungsunterschied haben, symmetriert sich das automatisch. Wenn also eine Zelle ein bisschen schneller entladen werden sollte in dem Parallelverbund, würde ja die Spannung stärker nach unten gehen. Und damit reduziert sich der Strom automatisch. Und wenn die Innenwiderstände einigermaßen ähnlich sind, kann man Lithium-Ionen-Zellen problemlos parallel schalten. Das ist kein Nachteil bei der Lebensdauer, nur sicherheitstechnisch kann es kritisch sein. Wenn eine Zelle thermisch durchgeht, einen Kurzschluss hätte, dann würden die anderen parallel geschalteten ihre Energie da rein schieben und dann braucht man eben so eine Sicherung wie diesen Bonddraht oder eine eingebaute Sicherung. |
| [01:25:20] | Aber das heißt, außer einer großen Menge parallel geschalteter standardisierter Zellen ist in so einem Akku tatsächlich, in so einem großen Akku vom Auto, nicht mehr so arg viel Magic drin? |
| [01:25:35] | Es ist schon noch ein bisschen mehr drin. Also die Topologie von so einem Speicher ist ja nicht nur Parallelschalten. Wenn ich bei so einem System bleibe, bei dem ich jetzt 70 Zellen parallel schalte, dann erreiche ich ja durch die 70 parallel geschalteten Zellen auch nur noch eine Spannung von 3,8 V und wir brauchen größere Spannungen, um eben die Leistung zu bekommen. |
| [01:26:02] | Was sind das für Spannungen, die da im Auto für den E-Motor eingesetzt werden? |
| [01:26:05] | Und in normalen Kraftfahrzeugen sind wir da bei etwa 400 V. Das bedeutet, wir haben in der Regel 100 Zellen, etwa 100 Zellen, die in Serie geschaltet werden. Oft sind es bloß 96 Zellen. Das hängt damit zusammen, dass sich 96 durch zwölf teilen lässt und man die zwölf zu Modulen zusammenpackt und dann ein einzelnes Modul weniger als 60 V hat. Und da gibt es eine Niederspannungsrichtlinie, die besagt: Unterhalb von 60 V brauche ich keine Elektrofachkraft, wenn die isoliert an diesem einen Modul in der Fertigung arbeitet. Das heißt, man kann die Module mit vertretbaren Kosten fertigen und erst wenn ich aus den Modulen ein Gesamtsystem brauche, brauche ich dann dieses höher qualifizierte und teurere Personal da dazu. Da kommt so ein modularer Gedanke daher und deswegen: Zwölf Zellen liefern eben gerade nicht 60 V, 13 gingen auch, aber machen meistens zwölf, die Leute. Und das passt nicht durch 100, deswegen nehmen die dann oft 96 Zellen. So, und das heißt, wir haben 96 oder 100 in Serie geschaltete Zellen und bis zu 80 heute, die parallel geschaltet sind. Das heißt, in so einem Tesla sind ungefähr 8000 Zellen drin in so einem Model S, wohingegen in einem, ich sage mal i3, eben nur 100 oder 96 Zellen enthalten sind. Aber jede Zelle hat viel mehr Kapazität. Und jetzt braucht man tatsächlich aber noch ein bisschen mehr als nur parallel und Serie schalten. Man muss nämlich die Zellspannungen überwachen und zwar aus diesen Gründen: Wenn man tiefentlädt, macht man sie kaputt. Man muss, wenn die erste Zelle an die Tiefentladegrenze kommt, dann muss abgeschaltet werden oder rechtzeitig davor gewarnt werden oder am besten den Ladezustand, den der Fahrer sieht oder die Restreichweite so berechnen, dass wenn die erste Zelle unten ankommt, da eben Ladezustand oder Reichweite null erreicht wird. Und beim Laden, wenn irgendeine Zelle einen Fehler hat, muss man das auch erkennen. Und deswegen ist dann in so einem System, ich glaube, wenn die Zellen parallel geschaltet sind, brauche ich bloß einmal die Spannung messen. Die haben ja alle das gleiche Potenzial. Eben für jede so eine Zelle, Zellgruppe eine Spannungsüberwachung, sprich: 96 / 100 Spannungsmessungen, die an ein Batteriesteuergerät oder Batteriemanagementsystem gehen plus ein paar Temperaturen. Wir haben ja vorhin gesagt, Sicherheit ist ein thermisches Thema. So ein Ding, so eine Batterie wird auch gekühlt, deswegen muss man die Temperaturen erfassen. Und typischerweise hat man pro Modul, es sind acht Module drin, zwei Temperatursensoren. Und das heißt, da sind dann auch nochmal 16 Temperaturfühler drin, mit denen da ein bisschen Statistik gemacht wird. Und das geht in ein Batteriesteuergerät und das Batteriesteuergerät berechnet aus diesen Größen Spannungen, Temperaturen, Ströme oder Strom, Ladezustand zum Beispiel. Das passiert alles in dem Batteriesteuergerät. Es wird ein Alterungszustand oder eine Impedanz wird ausgerechnet. Und was in Fahrzeugen immer wichtig ist, ist eine Leistungsprognose, also wie viel Leistung kann die Batterie jetzt gerade abgeben? Also wenn der Fahrer aufs Gas tritt und überholen will, kommt da die Leistung raus oder verhungert der beim Überholen? Das wäre ja dann auch sehr schlecht. Solche Funktionen sind in dem Batteriesteuergerät enthalten und das kommuniziert dann eben mit einer übergeordneten Energiemanagementeinheit, die mit Gaspedal und so weiter verbunden ist. Und das Weitere, was in so einem Batteriesystem noch drin ist, ist ein Kühlsystem. Auch wenn Batterien und insbesondere Lithium-Ionen-Batterien vom Energiewirkungsgrad relativ gut sind, entsteht Wärme. Und man muss vielleicht, wenn es sehr kalt ist, die Batterien vorwärmen, damit sie mehr Leistung können. Die meisten machen das heute mit einem Flüssigkühlsystem, das heißt, so Zellen sind auf eine Kühlplatte montiert oder es sind irgendwelche Rohre verteilt, wo dann ein Kühlmedium durchläuft. Und das ist aber Stand der Technik von Automobilbauern, Flüssigkühlung. Und das hat man da auch noch. |
| [01:30:50] | Ich meine, damals in der Antares, oder das heißt Taras… also in der Antares, in dem Elektrosegelflugzeug, da ist, glaube ich, eine Luftkühlung, da sind, glaube ich, Ventilatoren irgendwie eingebaut. |
| [01:30:59] | Ja, genau. Alternative ist Luftkühlung. Die Luftkühlung, ich denke gerade in der Luftfahrt, hat natürlich den Charme, dass sie ein bisschen leichter ist, weil man das Kühlmedium da nicht mit rumschleppen muss. Die Lautstärke ist vielleicht nicht so kritisch, da ist so… Beim Segelflugzeug weiß ich es nicht. Beim Motorflugzeug da. Wenn man sehr hoch fliegt, ist es natürlich wieder schwierig, wenn der Luftdruck zu niedrig ist. Dann ist es zwar draußen schön kühl, aber es ist nicht viel Luft da. Muss man also überlegen, wie man das da hinbekommt. Und es gibt sogar einige Fahrzeuge wie den Nissan Leaf, das ist ja auch ein Elektrofahrzeug, die sehr großflächige Zellen haben und sehr niederohmige Zellen, die dann vielleicht ein bisschen größer sind als die anderen, die kommen ganz ohne Kühlsystem aus. Auch der e-Golf von VW hat kein aktives Kühlsystem. Das ist auch ein Trend, den wir momentan sehen: Zellen verlustärmer zu machen, weniger Wärme erzeugen und dann auf die Kühlung möglichst verzichten und das System einfach zu machen. |
| [01:32:09] | Und natürlich auch effizienter, weil die Verluste alle wegfallen. Obwohl, vielleicht ist die Chemie eine andere. Nein, ich meine die Wärmeverluste, die ich durch die Kühlung dann ja doch mache. |
| [01:32:16] | Die sind ja nicht null, die Verluste. Aber so eine Lithium-Ionen-Batterie, was hat die für so einen Energiewirkungsgrad? Der liegt je nachdem, wie man die betreibt, würde ich mal sagen, oberhalb von 90 %. |
| [01:32:30] | Also rein vs. raus? |
| [01:32:31] | Ja, genau. Also die Energie, die ich rausgenommen habe geteilt durch die Energie, die ich reingeladen habe, und am Anfang und am Ende ist mein Ladezustand gleich, liegt je nach Belastung zwischen 90 und es geht fast bis 100 %. Also bei sehr kleinen Strömen kann man Wirkungsgrade, energetische Wirkungsgrade von über 99 % erzielen. Das sind quasi nur diese Spannungsabfälle, die da entstehen. Und es ist momentan das energieeffizienteste Batteriesystem, was auf dem Markt ist. |
| [01:33:07] | Okay, letzte Frage, bevor wir mit diesem Block dann irgendwie zu Ende sind und vielleicht eine kleine Pause machen: Den Ladezustand einer Batterie messen… Generell messe ich einfach mal die Spannung und wenn ich dann die Entladekurve kenne, kann ich was sagen. Aber ich muss ja vielleicht auch den Alterungszustand mit einbeziehen, also gerade jetzt so im Laptop, der natürlich immer die gleiche Batterie wieder lädt und entlädt, der kann sich vielleicht Dinge merken über die Veränderung der Leistung, Alterung, ja. Fällt dir da was ein dazu? |
| [01:33:39] | Genau, also Ladezustand ist ja schon seit jeher ein interessantes Thema. Fängt an auf Gabelstaplern, die es ja schon sehr lange gibt, die tatsächlich nur Spannung messen. Und während der Entladung diese Spannung, die schwankt ja da. Also wenn der seine Gabel hoch nimmt und die Batterie stärker belastet, bricht die Spannung ein und wenn er sie wieder runter nimmt, speist das Ding auch noch wieder zurück in die Batterie, um wieder Energie zurückzugewinnen. Muss man dann eben sehr stark mitteln. Und da gab es dann so einen amerikanischen Hersteller, der da so ein ganz ausgeklügeltes Verfahren da entwickelt hat mit Spannungsschwellen und das waren dann wie so Tankuhren. Und das waren so die ersten richtigen Ladezustandsanzeiger, die auch für so einen Gabelstapler ganz gut funktioniert haben. Und es gibt viele verschiedene Verfahren. Sagen wir mal, das am nächsten an die eigentliche Definition rankommt, wäre: Man misst die Ladung, den Strom und integriert den über der Zeit auf, also bei konstantem Strom Strom mal Zeit. Der ist ja nicht konstant, deswegen muss man dann periodisch den Strom messen und für die Zeitscheibe mit der Zeit multiplizieren und das dann aufsummieren. Das nennt sich Amperestundenzähler. Die Amperestundenzähler, die gehen bloß eine gewisse Zeit lang genau, denn Messtechnik hat immer irgendwelche Fehler. Batterien haben irgendwelche Nebenreaktionen, die ein bisschen Strom verbrauchen. Das heißt, das ist nicht 100 % Effizienz. Und deswegen läuft das dann im Lauf der Zeit auseinander. Und so ein Amperestundenzähler funktioniert eigentlich nur dann ganz brauchbar, wenn die Batterie regelmäßig vollgeladen wird. Und wenn die voll ist, dann wird der einfach zurückgesetzt auf 100 %. Und wenn die unten aufschlägt und leer ist, was ja bei so einem Laptop oder einem Handy passiert, beim Elektroauto hoffentlich eher nicht passiert, dann kann er natürlich sagen: „Das ist jetzt null“ und kann da so sein System kalibrieren und auch die Parameter da ein bisschen anpassen. Jetzt gibt es aber Anwendungen, da funktioniert das nicht, zum Beispiel ein Hybridfahrzeug. Ein Hybridfahrzeug, da wird die Batterie immer in so einem mittleren Ladezustandsbereich plus / minus 5 oder 10 %, beim Anfahren ein bisschen entladen, beim Bremsen wieder ein bisschen aufgeladen und dann schwankt das da immer in so einem Fenster herum. Da geht das nicht, weil ich diese Bezugspunkte „voll“ und „leer“ nicht anfahre. Da kann man dann überlegen: „Ich mache das trotzdem so und ab und zu fahre ich das dann mal mit Gewalt an“, kann man ja auch machen im Fahrzeug, ist aber natürlich schlecht, weil in dieser Zeit steht meine Hybridfunktion nicht zur Verfügung, wenn ich da das machen müsste. Und die zweite Methode, die es gibt, was heute zum Beispiel in Handys sehr oft verwendet wird, ist die reine Spannungsmessung, die deswegen funktioniert, da die Spannung im Ruhezustand, wenn also kein Strom fließt, sondern der Akku einfach liegt und stromfrei ist, die hängt ab vom Ladezustand. Kann man auch wieder durch die Elektrochemie erklären, dass da irgendwo Ladungsspezies oder -komponenten fehlen und das geht in diese Spannung da mit ein. Und zum Beispiel die Lithium-Ionen-Batterie, die hat so, naja, ein gutes halbes Volt bis 1 V, je nach Chemie, Spannungsunterschied zwischen voll und leer, also ein Drittel etwa der Spannung, was die da ändert. Eine Bleibatterie, die ändert ihre Spannung bloß um 10 %. Und wenn ich jetzt genug Ruhephasen habe, ein Handy ist ja permanent im Standby und braucht nicht viel, dann kann ich mir natürlich da diese Spannung rausholen und einen Ladezustand bestimmen. Und das funktioniert aber beim Hybridfahrzeug auch nicht. Das kann ich machen, wenn es rumsteht in der Garage. Dann kann ich das so machen, aber wenn ich fahre nicht. Und dann gibt es kombinierte Verfahren. Und man könnte einmal sagen, nehmen wir mal ganz einfach, wir machen Amperestundenzähler, eine Bilanz und wenn wir Ruhephasen haben, dann korrigieren wir den. Oder man kann das ein bisschen systemtechnischer machen, indem man da ein Modell einbaut und mit mathematischen Methoden – und da gibt es zum Beispiel sogenannte Kalman-Filter aus der Regelungstechnik – das man so ein bisschen missbrauchen kann in der Batteriewelt und damit diese Korrekturfunktion hinbekommt. Und das könnte man einfach sagen, das ist ein Verfahren, was Strom und Spannung kombiniert nutzt und damit kriegt man eigentlich relativ gute Schätzungen des Ladezustands hin. |
| [01:38:27] | Aber gehört wahrscheinlich auch zu den Themen, wo jeder Hersteller so seine eigene Magic da irgendwie… Erfahrungswerte einbaut. |
| [01:38:34] | Genau. Das Interessante ist ja, dass im Automobilbereich die Fahrzeughersteller die Batteriepacks selber bauen. Also ein BMW, ein Daimler, ein Volkswagen, ein General Motors, bauen das Batteriesystem selber und lassen das nicht einen Zulieferer machen. Sicher auch aus dem Grund, weil zukünftig das ein Stück der Wertschöpfungskette ist. |
| [01:39:02] | Irgendwas müssen die ja noch tun, wenn der Motor nicht mehr da ist. |
| [01:39:03] | Der Verbrennungsmotor fällt vielleicht mal irgendwann weg und dann ist es gut, wenn man da andere Sachen macht. Und ein Batteriesystem zusammenzubauen, das machen Roboter, das Fertigungstechnische ist eigentlich das Metier, was ein Automobilbauer kann. Elektronik kann er auch, weil er in seine Steuergeräte da Sachen rein bringt und weil er dieses Infotainment, das war lange Zeit ein ganz wichtiges Thema in der Automobilindustrie, auf einem Infotainment, also Navigation und dieser Bordcomputer, das anders zu machen als die Anderen. Das heißt, da gibt es Experten, die sich mit den Themen extrem beschäftigen. Und diese sogenannte Funktionsentwicklung – Was muss so ein Batteriesteuergerät alles können? – das machen die Hersteller auch selber. Die kennen ihre Zellen und die programmieren da ihre Algorithmen heute selber. Vielleicht ist es mal in zehn, 20 Jahren, wenn das tatsächlich in Masse kommt, dann wieder ein bisschen anders. Aber das können die Hersteller auch. Aber da sind schon oft so diese Kalman-Filter zum Beispiel drin. Das liest man dann auch immer wieder. |
| [01:40:10] | Dann lass uns jetzt mal ein bisschen über die Zukunft und über die Weiterentwicklung und über die allgemeine Forschung reden. Über deine spezifischen Sachen reden wir später, aber so allgemein die Weiterentwicklung. So eine provokante Frage, mit der man vielleicht anfangen kann: Wir sind ja alle so Moore’s Law gewöhnt, ja, und alle 18 Monate oder gefühlt jedes Jahr werden die Rechner schneller, billiger, besser, toller, bunter. Nur bei den Batterien, da passiert irgendwie nichts. So ist so die Wahrnehmung. Wie sieht objektiv der Fortschritt bei Akkutechnologien aus? Wie viel verbessert haben die sich zum Beispiel über die letzten Jahre und was prognostiziert man da für die Zukunft, also big-picture-mäßig? |
| [01:40:50] | Genau, also wenn man sich so die Batterieentwicklung seit der Lithium-Ionen-Batterie – 1990 kam so die erste Zelle, die hatte knapp 100 Wh pro kg und diese spezifische Energie, das ist so die Schlagzahl in der Batteriewelt – anschaut, dann sind wir heute, 25 Jahre später, beim Zweieinhalbfachen. Und nicht beim Zweifachen alle 18 Monate. |
| [01:41:19] | Also die Wahrnehmung grundsätzlich schon richtig. |
| [01:41:21] | Die Wahrnehmung ist grundsätzlich schon richtig, aber es ist nicht so, dass da nichts passiert. Aber es geht relativ langsam. Und wenn man sich diese Entwicklung anschaut, dann ist es eigentlich so, dass… Da kommt eine neue Technologie, also neue Materialien, die gewisse theoretische Eigenschaften haben, aber die man natürlich nicht erreicht, diese theoretischen Eigenschaften. Und dann wird durch geeignetes Engineering das Material immer besser ausgenutzt und man kann eine Verbesserung erzielen. Und das geht asymptotisch gegen irgendeinen Grenzwert und dann braucht man einen Technologiesprung. Und wir hatten jetzt in den letzten Jahren dann eben den Sprung, dass bis vor, ich sage mal, zehn Jahren oder bis vor sieben Jahren wurde ausschließlich Lithium-Cobalt-Oxid als Aktivmaterial an der positiven Elektrode verwendet. Und dann kam ein neues Material, das mehr Energie hat und das war das Lithium-Nickel-Oxid, NCA und ein gemischtes NMC. Und mit diesen Materialien haben wir heute eben diese besten Zellen, die 250 Wh pro kg haben, dieses NCA. Und aber auch da ist das jetzt nicht ein Quantensprung, sondern man hat halt 20 % vielleicht mehr gekriegt. So, und jetzt arbeitet man gerade an Materialien, bei denen man… Das heißt ja immer Lithium-Metalloxid und da ist ein Lithium pro Metalloxid drin. Die nennen sich dann überlithiierte Materialien, wo man eben ein bisschen mehr als ein Lithium rein bekommt. Also das ist eine Entwicklung, aber das wird jetzt auch nicht dann um den Faktor 2 oder sowas sein, sondern eben auch bloß wieder ein kleiner zweistelliger Prozentbetrag sein, den man da verbessert bekommt. Andere Entwicklungen gehen dahin, Materialien einzusetzen, die Zellspannungen von etwa 5 V erlauben. Das wäre dann die 5 V Lithium-Ionen-Batterie, heute haben wir übergeordnet den Begriff 4 V Lithium-Ionen-Batterien. Von 4 auf 5 V, es sind knapp 5 V, sind es 20 %. So, also wir sind wieder bei einem kleinen zweistelligen Prozentbetrag. |
| [01:43:41] | Gut, aber wenn die natürlich alle drei Jahre kommen, ist ja auch nicht schlecht. |
| [01:43:44] | Ja, leider kann man die nicht so kombinieren. Also entweder kriegen wir jetzt das 5 V System und kriegen bloß ein Lithium oder wir haben eben das überlithiierte System und kriegen dann aber nicht diese hohe Spannung da hin, so dass man sich das schon überlegen muss. Und auf der negativen Elektrode, wo wir ja das Graphit einsetzen, da gibt es schon einen Quantensprung, denn ein Graphit… Spannungsmäßig ist das ganz nah bei null. Da kann man nicht viel machen. Aber wenn man von Graphit weg geht und man nimmt metallisches Lithium oder anstelle von dem metallischen Lithium eine Silicium-Lithium-Verbindung, dann kann man etwa zehnmal so viel Lithium pro Masse speichern. Aber nur auf der negativen, da haben wir quasi das Potenzial in etwa von einem Faktor 10. Die Materialien haben dann aber riesige Volumenveränderungen beim Laden und Entladen, was zu massiven Lebensdauerproblemen führt. Trotzdem sind heute viele Forschergruppen damit beschäftigt, diese Volumenarbeit in den Griff zu bekommen, nanostrukturierte Materialien zum Beispiel oder diese Materialien als Composite wieder mit Graphit zu mischen und irgend so einen Zwischenwert zu bekommen. Und da geht man eigentlich von aus, das wird wohl die nächste Generation von Batterien werden. Weg vom Graphit hin zu siliciumbasierten Materialien. Allerdings, wie gesagt, wahrscheinlich ist es sehr schwierig mit solchen Materialien dann 5000 Zyklen hinzubekommen, was mit graphitbasierten System geht. Aber es sieht so aus, als ob man ausreichend viele Zyklen für Consumergeräte wie Laptops, die keine 1000 Zyklen in einem Leben brauchen… |
| [01:45:47] | Ich habe meine Batterien jetzt erst für 300 € wechseln müssen hier, weil die waren komplett am Ende nach drei Jahren. |
| [01:45:52] | Ja, das ist aber schon ein älteres… |
| [01:45:55] | Apple baut ja nichts Neues! |
| [01:45:58] | Ja gut, früher war das so: Ein Handy hat einen Zyklus alle zwei Wochen gemacht, als wir noch diese ein bisschen größeren da hatten, die nicht so ein großes Display hatten. Heute macht ein Handy jeden Tag einen Zyklus. Und auch ein Handy braucht 1000 Zyklen Lebensdauer, damit es diese gut zwei Jahre überlebt. Früher waren das 100 Zyklen, hat locker gereicht für so ein Handy. Also werden da die Anforderungen auch höher. |
| [01:46:24] | Kann man das sagen, dass es vielleicht eine noch stärkere Spezialisierung der Anwendungszwecke gibt? Also stärkere Leistung, leichtes Gewicht, weniger Zyklen? |
| [01:46:34] | Ja, also das… Ich würde eher sagen: Mehr Energie und weniger Zyklen. Das ist sowas, was gegenläufig optimierbar ist. Und wenn man eben Hochenergieanwendungen braucht, aber mit ein paar Hundert Zyklen zufrieden ist, kann man diese neuen Materialien da einsetzen, wobei jetzt ungünstigerweise das Material der negativen Elektrode, also das man jetzt so schön verbessern könnte, den kleineren Gewichtsanteil in der Gesamtbatterie hat und das Nadelöhr eigentlich das Material der positiven Elektrode ist. Das ist etwa doppelt so gut, die negative, schon von Haus aus. Und das ist ja eine Serienschaltung, das heißt, eigentlich muss man am positiven Material arbeiten, um insgesamt eine bessere Zelle zu bekommen. Und da gibt es zwei Technologien so für die große Zukunft, die weggehen von den Interkalationsmaterialien, also so eine Wirtsstruktur, wo das Lithium reingeht und wieder rausgeht, diese Metalloxide. Und das Eine ist Schwefel, das wäre dann die Lithium-Schwefel-Batterie. Und das Zweite, das wäre dann so das Beste, was es batterietechnisch geben wird, wäre Lithium-Luft. Und das Lithium-Schwefel-System, das ist das, was eher greifbar ist heute, hat das Potenzial, doppelt so viel Energie in einer praktischen Zelle zu speichern wie diese Lithium-Ionen-Zellen. Also man geht davon aus, dass 450 Wh pro kg mit Lithium-Schwefel mal möglich sind. Also heute noch nicht, aber demnächst mal. |
| [01:48:27] | Was sind das so für Zeiträume? |
| [01:48:29] | Ja, wir haben vor fünf Jahren davon geredet, dass das dann in zehn Jahren kommt. Und heute sagt man eher auch, dass das noch zehn Jahre sind. Aber wir sind da tatsächlich ein deutliches Stück weiter gekommen. Auch da ist das Problem der Lebensdauer, insbesondere weil dieses System nur Sinn macht, wenn dann auf der negativen Seite metallisches Lithium ist. Und das ist auch ein schwieriges Material, metallisches Lithium auch was Zyklenlebensdauer, was Sicherheit betrifft. Aber wenn man da jetzt bei Graphit bleibt, dann ist zwar die positive ganz toll, aber die negative nicht. Und man muss dann da eben wahrscheinlich Richtung metallischem Lithium oder eben wieder zu so einem Silicium-Lithium und dann haben wir halt diese Lebensdauerproblematik. Es gibt zwei Firmen, die das momentan machen. Die eine sitzt in England, die Oxis Power und die anderen, Sion Power, die sitzen in den USA, die also versuchen, diese Technologie als… Das sind eigentlich keine Startup-Unternehmen mehr, die sind schon viele Jahre unterwegs, aber eben zu kommerzialisieren. Und daran sieht man das jetzt, dass… Diese Technologie ist jetzt nicht irgendwie neu und man die in zwei Jahren serienreif, sondern diese Firmen, die entwickeln da viele Jahre, um nicht zu sagen, das ist auch mehr als zehn Jahre, also ein Jahrzehnt dran. Und das hängt damit zusammen, dass es da eben Herausforderungen gibt, die man nicht so einfach lösen kann, wie diese Volumenarbeit, wie bei dem Lithium-Schwefel-System eine hohe Selbstentladung und bei elektrochemischen Systemen kann man das nicht alles simulieren. Da wird tatsächlich experimentell, ist viel experimentelle Arbeit dabei. Und gerade, wenn es dann Lebensdauerparameter heißt, dann muss man Parameter variieren, Experimente machen, daraus lernen. Es gibt viele Wechselwirkungen zwischen den Komponenten in dem System. Also man kann die nicht so einfach isolieren, die Effekte. Und das macht diese Entwicklungszeiten so extrem lang. |
| [01:50:37] | Du sagtest gerade so im Nebensatz, dass es ungefähr doppelt so viel Kapazität geben könnte mit einer dieser Technologien und dass das dann das Beste ist, was es geben wird. Und dazu zwei Kommentare meinerseits. Das Eine ist: Doppelt so viel klingt ja eigentlich erst mal ganz gut. Ich meine, man sagt ja immer so, wenn die Teslas – ich nehme immer Tesla als Beispiel – wenn die Teslas mal so ihre 800, 900 km kommen so wie jetzt eine normale Tankfüllung, dann ist alles gut. Und doppelt so weit wie jetzt ist ungefähr diese Größenordnung. Also das ist durchaus halbwegs realistisch erwartbar, dass wir da hin kommen. |
| [01:51:11] | Also erst mal, ich sagte, die Lithium-Schwefeltechnologie, die die greifbarer ist, die hat das Potenzial, doppelt so viel Energie pro Masse zu haben. Und damit kann man dann eben auch doppelt so weit fahren. Aber Schwefel hat eine relativ geringe Dichte im Vergleich zu Metalloxiden. |
| [01:51:34] | Also das heißt, das Ding ist größer? |
| [01:51:35] | Das bedeutet, dass die aufs Volumen bezogene Energiemenge nicht besser wird als heute. Das würde dann bedeuten, dass die Batterie vom Tesla vom Volumen doppelt so groß wäre, aber dann eben trotzdem bloß 500 kg wiegen würde. Und im Auto ist tatsächlich ein großes Problem das Volumen. So, und die zweite Technologie, diese Lithium-Luft-Technologie, die seit einigen Jahren sehr aktiv beforscht wird, hat noch mehr Herausforderungen, also Fragestellungen und kritische Reaktionen laufen da drin ab. Die hätte, rein theoretisch auf dem Papier, wenn man dann wieder eine praktische Zelle drauf macht, sogar das Potenzial, so einen Faktor 3 bis 4 zu liefern von der Energie. Also 800 Wh pro kg könnte man damit vielleicht erreichen. Aber auch da ist es wieder diese Luftelektrode, die lassen natürlich nicht Luft in der Zelle drin, die nehmen wir aus der Umgebung. Und diese Elektrode ist dann ein Kohlenstoff zum Beispiel, der eine relativ geringe Dichte hat. Auch diese Zelle wird vom Volumen nicht besser werden, bloß wieder von der Masse. Also wenn ich ein Masseproblem habe, ist das gut. Wenn ich ein Volumenproblem habe, dann helfen mir die neuen Technologien nicht. Bei dieser Technologie sagt man heute beyond 2030 und war das in irgendwelchen Roadmaps noch so als 2030 mal markiert vor ein paar Jahren, ist das heute nach hinten gerückt. Also auch da sind diese Herausforderungen schwierig und da hat man in den letzten Jahren auch festgestellt, dass es da Zwischenprodukte gibt, die sehr kritisch sind, was eben Funktionalität und Lebensdauer da betrifft. |
| [01:53:31] | Aber du sagtest ja wie gesagt „das Beste, was es geben wird“. Meinst du da in dem Sinn, dass es derzeit das Beste ist, was wir kennen und was in irgendeiner Art und Weise beforscht wird, oder gibt es da irgendein grundlegendes Limit, grundphysikalisch, chemisch, wo man irgendwie sagen kann: Besser wird es nicht werden, weil dann…? |
| [01:53:47] | Ja gut, man kann natürlich für alle möglichen Materialkombinationen sich ausrechnen, wie viel Ladung da rein passt und wie viel Spannung das System liefert und dann ausrechnen, wie viel es an Energie hat pro… die Chemiker machen es immer pro mol Formelumsatz. Und dann weiß man, wenn man 1 mol Formelumsatz hat, sind das dann die Atom- oder Molekülmassen, wie viel Masse da dazu notwendig ist. Und da kommt dann am Schluss raus, wenn ich nur diese aktiven Komponenten da nehme, eine theoretische spezifische Energie. Da hat die Bleibatterie zum Beispiel 160 Wh pro kg theoretisch, die Lithium-Ionen-Batterie, die liegt so ganz grob bei 500. Lithium-Schwefel liegt bei etwa 2500 und Lithium-Luft, kann man ganz verschieden rechnen, ob man den Sauerstoff dazu rechnet oder nicht… Ja ja, die Lithium-Luft-Batterie ist im geladenen Zustand leichter, wenn der Sauerstoff weg ist und im entladenen Zustand reagiert das ja mit dem Sauerstoff. Und da kommt dann irgendwas zwischen 3500 und 11.000 Wh pro kg raus. So, und das Einzige, was noch besser ist, ist dann Wasserstoff zu nehmen. Und dann sind wir wieder bei der Brennstoffzelle. Von den Systemen die wir heute kennen, ein Kilogramm Wasserstoff hat etwa 33 kWh, also das hätte dreimal so viel wie Lithium-Luft. Und klar, Wasserstoff und Lithium ist natürlich eine ganz andere Masse, die dahinter steckt. Beim Brennstoffzellensystem haben wir halt das große Problem, dass das vom energetischen Wirkungsgrad nicht so toll ist. Und Batterien an für sich irgendwie vom energetischen Wirkungsgrad sehr gut sind. Und diese Technologie, diese Brennstoffzelle… |
| [01:55:49] | …war ja mal Hype. Inzwischen, glaube ich, nicht mehr so richtig. |
| [01:55:53] | Ja, es ist auch ein elektrochemisches System, funktioniert grundlegend auch erst mal ganz ähnlich wie eine Batterie. Leider sind die Reaktionen nicht so ohne Weiteres im gleichen System umkehrbar, da die Katalysatoren bloß in die eine Richtung eben gut funktionieren und in die andere Richtung bräuchte ich dann einen anderen. Das macht das Ganze eben nicht so einfach elektrisch wiederaufladbar. Aber auch sowas könnte man sich überlegen, wie man das macht. Wasserstoff kam auf ganz stark Mitte der 90er Jahre durch Daimler mit Ballard zusammen, die eben sagten: „In zehn Jahren werden wir das Wasserstoffauto serienreif machen.“ Die hatten dann auch nach zehn Jahren ein brauchbares Wasserstofffahrzeug, aber die haben die Kosten nicht in den Griff gekriegt. Und das hängt damit zusammen, dass für den Sauerstoff, der da reagiert, man einen Katalysator braucht und in dieser Art von Brennstoffzelle, die man in Autos verwenden kann, ist das Platin. Und da braucht man so 50 g Platin und das ist ein Kostenproblem. Und deswegen geht die Forschung bei den Brennstoffzellen sehr stark dahin: Wie kann ich anderes Material, wie kann ich andere Katalysatoren einsetzen? Wie kann ich das Platin genau dahin bringen, wo ich es brauche, also mit weniger Platin arbeiten? Da hat man sehr viel gemacht. Und es gibt ja heute ein serienproduziertes Wasserstoffauto, das gibt es von Toyota. Kostet 50.000 €, gibt es momentan, glaube ich, nur in Japan, soll aber demnächst auch zu uns kommen. Die… Ich glaube, ein anderer Grund, warum die Brennstoffzelle nicht so schnell kam, ist, dass man tatsächlich eine Infrastruktur braucht, zwingend, denn ich kann es nicht an der Steckdose aufladen, wohingegen beim Elektrofahrzeug zumindest mal so einen Markteintritt man mit denen machen kann, die irgendwo eine Steckdose haben. Und eine Installation von irgendeiner Ladesäule ist erst mal auch einfacher als von einer Wasserstofftankstelle. Wenn man allerdings eine flächendeckende Infrastruktur haben möchte, ist das mit den Ladesäulen nicht billiger als da diese Tankstellen zu installieren. |
| [01:58:11] | Man muss halt zumindest kein eigenes Netz installieren, weil Stromnetze gibt es schon im Gegensatz zu Wasserstoffnetzen. Man muss die aber wahrscheinlich aufpeppen. |
| [01:58:17] | Ja, aber wenn man jetzt sagen würde, es müsste für jedes Fahrzeug eine Ladesäule installiert werden, ob die jetzt zuhause ist oder irgendwo unterwegs mit einem Zähler und dann kann man schnell ausrechnen: Das kostet 1000 €. Wir haben 40 Millionen Fahrzeuge in Deutschland, dann würde das heißen, so ganz über den Daumen, man müsste 40 Milliarden € in die Hand nehmen, um für jedes Fahrzeug so eine Ladesäule hinzubauen. Vielleicht wird es dann bei den Mengen ein bisschen billiger. |
| [01:58:43] | Die politische Diskussion, was man mit den 40 Milliarden sonst alles für einen Unsinn schon gemacht hat in der Vergangenheit, lassen wir jetzt. |
| [01:58:49] | Ja, zum Beispiel Abgas, aber das ist ja nicht die Regierung. So, und bei den Brennstoffzellen gibt es eben so einen Faktor 10 niedrigere Kosten für ein Tankstellennetz. |
| [01:59:01] | Echt? |
| [01:59:02] | Ja, genau. Also deswegen, da hätte das natürlich einen gewissen Charme. Und potenziell kann man natürlich mit Wasserstoff auch Reichweiten erreichen, aber wir haben auch da das Problem der Wasserstoffspeicherung in den Druckbehältern, das ist relativ viel Volumen, was man da mitnehmen muss. Auch wieder wenig Gewicht, aber viel Volumen. Und Reichweiten 1000 km sind da heute auch nicht möglich. |
| [01:59:29] | Sind Ultracaps und Kondensatoren irgendwas, was zumindest für kleinere Anwendungen Akkus potenziell vielleicht ersetzen könnten? Da war ja vor, weiß ich nicht, zwei Jahren mal so ein Riesenhype um diese Ultracap-Geschichte. |
| [01:59:44] | Genau, also diese Ultracaps, also eigentlich heißen die Doppelschichtkondensatoren, DLC, double layer capacitors, nutzen diese elektrochemische Doppelschicht an den Elektroden aus, ohne dass da Material Elektronen auf- oder abgibt. Und die nutzen nur die Oberfläche und nicht das Volumen des Materials. Die… Es gibt ein paar Anwendungen, bei denen die heute eingesetzt werden. Die eine große Anwendung sind Windkrafträder. Und zwar ist das dort ein Notsystem, dass bei zu viel Wind und Verlust des Stromnetzes die Flügel aus dem Wind gedreht werden können. Da ist eine Pitch-Control drin, das wird eben entsprechend des Windes eingestellt und im Fehlerfall kann man damit das aus dem Wind drehen, sprich: das Drehmoment dann reduzieren. Und da dreht sich in der Nabe mit der Energiespeicher. Und das hat man mal mit Bleibatterien gemacht, mal mit Lithium-Ionen-Batterien gemacht und auch mit Doppelschichtkondensatoren gemacht. Und offenbar funktionieren die Doppelschichtkondensatorlösungen da sehr gut. Und das ist eine der großen Anwendungen für Doppelschichtkondensatoren. Und das ist ein Notfallsystem, bei dem man im Fehlerfall für, sagen wir mal, maximal eine Minute Leistung braucht, also relativ viel Leistung, um eben in einen sicheren Zustand zu kommen. Aber es muss dann auch wirklich funktionieren. Wir kommen dann zu Fragestellungen, Diagnosefähigkeit: Kann ich den Kondensator prüfen, ob der noch funktioniert, also die Kapazität hat? Zweite Anwendung: Luftfahrt. In den Passagierflugzeugen sind zum Beispiel Türverriegelungssysteme elektrisch und werden irgendwelche Bolzen reingefahren. Und da muss es dann ein zweites Versorgungssystem geben, falls das Bordnetz eben bei einer Notlandung ausfällt, … |
| [02:01:50] | Dass man die Türen aufkriegt? |
| [02:01:51] | …dass man die Türen aufkriegt. Und bei unserem europäischen Flugzeughersteller sind dann Doppelschichtkondensatoren in den Türen, an den Türen, die genau für dieses Notfallsystem dienen, um diesen Bolzen da rauszufahren. Das fliegt also immer mit, wird eigentlich hoffentlich nie gebraucht, aber wenn er dann mal gebraucht wird, dann muss er auch funktionieren. Und es muss in der Luftfahrt natürlich Prüfmöglichkeiten geben. Und Kondensatoren kann man relativ gut prüfen: Ein bisschen Ladung rausnehmen, dann muss die Spannung einer linearen Abhängigkeit folgen. Und so kann man den Kondensator sehr schnell sehr genau prüfen. Und das geht mit Batterien nicht, weil die erst mal den Drang haben, die Spannung konstant zu halten. |
| [02:02:33] | Da gibt es ja ganze Firmen, die sich mit Batterieprüftechnik beschäftigen, habe ich gehört. Da bist du, glaube ich, an einer beteiligt mit einem gemeinsamen Freund von uns. |
| [02:02:45] | Ja, ja, genau. Also es ist tatsächlich so, dass die Prüfung von Batterien nicht ganz einfach ist. Und es gibt ein sehr schönes Zitat von dem Herrn Edison, der übrigens auch eine Batterie erfunden hat vor gut 100 Jahren, nämlich die Nickel-Eisen-Batterie. Das ist die Edison-Batterie, die es heute eigentlich nicht mehr gibt. Es gibt vielleicht noch den einen oder anderen Hersteller in Russland. Und der hat sich dann übrigens furchtbar mit dem Herrn Jungner gestritten, der die Nickel-Cadmium-Batterie erfunden hat und in beiden ist ja diese Nickelelektrode drin. Das heißt, die haben auf der einen Seite etwas sehr Ähnliches und da gab es dann also auch einen Streit und der Herr Edison hat da ein sehr schönes Zitat mal von sich gelassen, dass also lautet: „Mit der Erfindung der Batterie nahm die Fähigkeit des Menschen zu lügen signifikant zu.“ Also so ungefähr, im übertragenen Sinne. Oder es würde heißen: „Glaube nicht, wenn du es nicht selber gemessen hast, wenn dir einer was über Batterien erzählt.“ Und es ist tatsächlich so, wenn man jetzt von einem unseriösen Hersteller, der aus vielleicht so einem großen Land da in Asien kommt, sich Zellen kauft und dazu ein Datenblatt kriegt und man testet die, dann liefern die tatsächlich die Kapazität und die Spannung stimmt und die Kurven sehen schön aus. Und wenn man dann einen Lebensdauertest macht, dann sind die Kurven in dem Datenblatt, die haben dann 800 Zyklen. Und wenn man die selber misst, sind die nach 200 Zyklen kaputt. Und das Zyklenmessen kostet natürlich Zeit, das heißt, da ist man dann ein paar Monate beschäftigt die zu zyklisieren und dann festzustellen: Nein, die entsprechen nicht dem, was der mir verspricht. Und aus dem Grund machen eigentlich alle Hersteller von Geräten, die also Werkzeuge machen und irgendwelche Dinge, wo man halt Batterien braucht, wie Laptops oder Handys, die prüfen diese Zellen und verlassen sich nicht darauf, was ein Zellhersteller sagt. Und es ist dann eben so, wenn ein Hersteller XY, ich sage mal, irgendein Rasenschneidegerät mit Akku bauen will und der hat jetzt noch nicht die Erfahrung mit Akkus, dass er weiß, der ist gut und der ist gut, dann nimmt der erst mal die renommierten Hersteller und testet die und sagt: „Die sind gut.“ Und dann wird der Einkauf ihm sagen: „Die sind zwar gut, aber teuer und da gibt es doch welche, die kosten bloß die Hälfte.“ Das ist tatsächlich so, also die Zellen, die es aus Japan oder auch Korea gibt, die relativ hochwertig sind von diesen großen Herstellern, kosten in etwa Faktor 2 von sehr preiswerten Zellen, die eben zum Beispiel aus China kommen. Was nicht heißt, dass alle Zellen, die aus China kommen jetzt nicht gut sein müssen oder preiswert sein müssen. Und klar, da wird natürlich dann auch ein bisschen am Material gespart, das heißt, irgendwelche Reserven, die man braucht, um Lebensdauern zu erzielen, sind knapper. Die Streuungen sind größer an solchen Zellen. Und deswegen muss man das prüfen. Und wenn man so zu dem einen oder anderen Hersteller von solchen Elektrowerkzeugen geht, haben die riesige Prüfräume mit hunderten von Prüfkanälen, wo die ihre Zellen testen, um a) die richtigen Zellen zu finden für ihre Anwendung… |
| [02:06:24] | …und um die dann über die Zeit qualitätszusichern quasi. |
| [02:06:27] | …über die Zeit Qualität zu sichern, um zu prüfen, ob die Zellen zu dieser Anwendung passen. Dann ist es ja so, dass die Zellhersteller laufend Verbesserungen machen. Und dann ist immer die Frage: Ist das jetzt eine Verbesserung im Sinne des Herstellers, weil er einen Prozess billiger gestalten kann oder weniger Material nimmt? Oder ist das tatsächlich eine Verbesserung im Sinne des Anwenders, dass die jetzt einen kleineren Innenwiderstand hat? Und die Leute, die eben sowas verbauen, die testen dann. Und das ist tatsächlich ein gewisser Markt, solche Batterietestgeräte, wobei das kein Riesenmarkt ist. Das machen meistens kleinere Firmen. Also es gibt jetzt in Deutschland so zwei, drei Firmen, die alle, sage ich mal, zwischen 15 und 50 Leuten haben, die eben sowas machen. |
| [02:07:21] | Können wir ruhig… Ich meine, die Firma, die wir beide kennen, ist Basytech, René Groiß, den ich aus der Schule schon kenne und vom Segelfliegen. Der hat uns auch hier in Kontakt gebracht. |
| [02:07:32] | Genau, genau, mit dem habe ich mal zusammengearbeitet und da entstand eben diese Idee, sowas zu bauen. Und das war 1999, hat man das dann gegründet und das ist ein kontinuierlicher Markt, genau. |
| [02:07:51] | Ein Vorteil von Ultracaps sind ja die kürzeren Ladezeiten. Ist das eine Richtung, in die es Fortschritt gibt, so nach dem Motto: Wenn schon die Kapazität von Akkus nicht steigt, dann werden vielleicht wenigstens die Ladezeiten kürzer, ich kann es drei Minuten irgendwo einstecken und der Akku ist wieder voll? Gibt es da Hoffnung oder musst du uns da auch tendenziell eher enttäuschen oder auf nach 2030 vertrösten? |
| [02:08:13] | Also die Ladezeiten haben sich schon verbessert von… Jetzt fange ich mal wieder ganz klassisch an mit dem Nickel-Cadmium-System. Früher gab es Nickel-Cadmium. Und das Nickel-Cadmium-System hat eine thermodynamische Besonderheit, die darin besteht, dass beim Laden dieses Systems sich die Nickel-Cadmium-Batterie 11 % der Energie aus der Umgebung durch Entnahme von Wärme holt, wie eine Wärmepumpe. Und das heißt, man kann quasi 11 % des Ladestroms, der Ladeenergie in Wärme umsetzen und dann wird die immer noch nicht warm. Und aus dem Grund kann man Nickel-Cadmium-Batterien tatsächlich in einer Viertelstunde nahezu voll laden. Jetzt ist es aber nicht so, dass das ein Perpetuum mobile ist. Dieser thermodynamische Effekt ist komplett reversibel. Genau diese 11 % gibt sie beim Entladen wieder zusätzlich an Wärme ab. Aber sie hilft mir beim Laden die Zelle zu kühlen und deswegen kann man die so superschnell laden. So, und bei allen anderen Chemie ist das nicht so groß, dass das echt fürs Laden einen Effekt hat. Und bei den Lithium-Ionen-Systemen, da sind wir ja heute so an dem Punkt, dass man so in einer halben Stunde diese 80 % da reinbringt. Es gibt auch schon Zellen, da gehen in einer Viertelstunde dann so 60 %. Wir haben in Singapur ein Taxi entwickelt mit einer Batterie für 300 Kilometer Reichweite. Aber dieses Taxi fährt am Tag 500 Kilometer. Und dann war die Idee, schnell zu laden. Und wir haben dann es geschafft, in 15 Minuten 200 Kilometer nachzuladen, Reichweite. Das ist schon ganz gut. Aber mit den Zellen, die wir da hatten, haben wir da eine Lebensdauer-Einbuße gehabt. Wenn man so schnell lädt, dann ging das 600 Mal, lebensdauermäßig, 600 solcher Zyklen. Hat man ganz normal geladen, dann hatte die Batterie gut 2000 Zyklen. |
| [02:10:25] | Ja, schon signifikant. |
| [02:10:26] | Und wenn ich das jetzt mal mache, ist das nicht kritisch. Wenn ich aber das immer mache, also das Taxi zwei Zyklen am Tag, nach einem Jahr ist dann die Batterie kaputt. Ist natürlich schon ein relativ heftiger Batterieverschleiß. Es gibt aber auch Lithium-Ionen-Systeme, die kann man schneller laden. Ich hatte vorhin schonmal gesagt, es gibt dieses unkaputtbare System Lithium-Titanat für die negative Elektrode. Und dieses Material ist sehr hochstromfest. Es gibt einen Hersteller, Toshiba, der das auch schon für kommerzielle Zellen macht, SCIB, super charging lithium-ion battery heißt das. Die haben eine Pressemeldung witzigerweise damals an einem 1. April mitgeteilt. Die war aber… Das war keine Ente, die war wirklich so, dass sie eine Zelle entwickelt hätten mit einer Ladezeit von einer Minute. Heute in den Datenblättern wird die mit fünf Minuten spezifiziert, die Ladezeit, deswegen, weil man die Stromtragfähigkeit natürlich jetzt nicht auf den großen Strom ausgelegt hat. Und diese Zelle wird zum Beispiel bei Fahrradakkus zum Teil verwendet. Kleiner Nachteil: Dieses Material für die negative Elektrode, was diese gute Stromfestigkeit bringt, hat leider eine schlechte spezifische Energie zur Folge. Und diese Zellen, die haben dann maximal 100 Wh pro kg, sprich: Vielleicht zu den besten anderen Zellen… |
| [02:12:05] | Halb so viel, weniger als halb so viel. |
| [02:12:06] | …ist es halb so viel. Wenn ich die Zyklenfestigkeit nehme, könnte man sagen: Also halb so viel. Und dann ist eben die Frage: Wenn es dafür eine Anwendung gibt, ist das gut. Anwendung könnte sein, zum Beispiel ein Bus, der immer an den Endstationen dann schnell nachgeladen wird oder an jeder Haltestelle. Das wäre wieder sehr teuer an jeder Haltestelle, weil die Schnellladestation teuer ist. Deswegen geht man eher dazu, den weniger oft zu laden. Für sowas könnte das zum Beispiel interessant sein. |
| [02:12:36] | Da sind wir wieder an diesem Punkt, dass es halt mehr spezialisierte Batterien für ganz bestimmte Anwendungszwecke geben könnte in der Zukunft. |
| [02:12:44] | Weil es die ideale Batterie nicht geben wird, nach aktueller Sicht man immer nur einzelne Parameter irgendwo hin trimmen kann mit Nachteilen in den anderen Parametern. Das ist eben der Stand heute. Und wenn es dann für eine spezielle Konfiguration eine Anwendung gibt, dann kann es auch sein, dass sowas kommt. |
| [02:13:02] | Ich weiß nicht, ob ich es überhört habe, aber so für die klassische Handy- und Laptopbatterie hast du uns nicht besonders viel Hoffnung gemacht, dass da groß viel passieren wird in endlicher Zeit. |
| [02:13:12] | Doch, habe ich so ein bisschen gesagt vorhin, nämlich: Wenn man auf der negativen Seite vom Graphit weggeht zu den lithiumbasierten Materialien, dann wird man auch nochmal 20 % rein kriegen. |
| [02:13:24] | Aber das sind ja keine Durchbrüche. Aus Batterieforschung wahrscheinlich schon, aber natürlich jetzt aus Anwendersicht 20 %, ich meine: Hmm. |
| [02:13:32] | Und dann Lithium-Schwefel Faktor 2. Aber ich glaube, wenn man jetzt so einen Laptop hier anschaut, das ist ja interessanterweise auch viel besser geworden. Also ich habe so einen Laptop, der läuft locker sechs Stunden am Stück. Der läuft auch neun, wenn man ein bisschen energiesparend umgeht. Dadurch, dass man da viel in der Energieeffizienz erreicht hat, besonders bei den Bildschirmen, sind zwischenzeitlich die Laufzeiten der Laptops nicht mehr so wie früher zwei Stunden, sondern die laufen heute… Ein bisschen besserer Laptop läuft heute mehr als fünf Stunden. Und da ist es offenbar nicht mehr so kritisch. Aber bei so einem Handy ist es natürlich schon so, oder so eine Wearable, so eine Watch, die… Wäre halt schön, die würde eine Woche laufen, ohne dass man die ans Ladegerät steckt. |
| [02:14:18] | Es würde natürlich auch helfen, wenn beispielsweise Apple jetzt nicht jedes Mal das Handy nochmal einen Millimeter dünner machen würde, sondern einfach einen Millimeter mehr Akku einbauen täte. Das wäre auch eine Lösung, weil dünner braucht eigentlich keiner mehr, aber naja. |
| [02:14:29] | Ja, aber da fällt mir jetzt eine interessante Sache dazu ein. So ein Handy, das war, glaube ich, sogar von Apple vorangetrieben, designmäßig ist hinten nicht mehr flach, sondern so leicht gewölbt. Und da hat dann so eine Firma Apple mit Zellherstellern eben Spezialzellen, die genau die gleiche Form haben. Das heißt, die sind in der Mitte ein bisschen dicker, weil da mehr Elektroden sind, die aber nicht so breit sind, um das Volumen besser auszunutzen. |
| [02:14:58] | Ja, das ist in den Laptops teilweise auch so. In den Macbook Airs, die so spitzig sind, ist das, glaube ich, genauso. |
| [02:15:03] | Ja, genau. Man versucht eben, das Volumen besser zu nutzen und nicht das Design des Gerätes an die Zelle anzupassen, sondern zu sagen: Jawoll, wir überlegen uns unser Design und da muss jetzt die Zelle angepasst werden. Aber das ist ja bloß auch wieder so ein Faktor, dass ich da ein paar Prozent rauskitzeln kann, weil ich das Volumen besser nutze. Das wäre natürlich schön, wir würden da diese neuen Technologien, die da jetzt so im Raum stehen, die sich aber sehr schwer tun, tatsächlich kommerzielle Produkte zu werden, wie Lithium-Schwefel, noch schwieriger Lithium-Luft, die zu bekommen. Allerdings hatte ich vorhin gesagt, die sind zwar leichter, aber vom Volumen nicht kleiner. |
| [02:15:42] | Genau, das war nämlich der Punkt, weil da das bei Handys nämlich gar nichts bringt. |
| [02:15:46] | Naja, werden die halt wieder ein bisschen größer. |
| [02:15:47] | Aber das will Apple ja nicht. Okay. Vielleicht die letzte Hoffnung: Werden die Batterien dann wenigstens billiger, weil die Gigafactories, die jetzt in unglaublichen Mengen billig serienproduzieren? Weil das ist ja auch so ein Punkt. Man könnte vielleicht Batterien bauen, die mehr Leistung haben, dafür schlechtere Langlebigkeit. Aber wenn sie billiger werden, tausche ich sie halt nach fünf Jahren und bin nach zehn Jahren Gesamtdauer dann beim gleichen Gesamtpreis wie jetzt. Also so kann ja auch ein Schuh draus werden. |
| [02:16:22] | Ja, ja. Also Kosten… Das Interessante ist: Als dieser aktuelle Hype Elektromobilität, der kam ja ganz interessanterweise durch die Firma Mitsubishi. Die hat nämlich etwa 2005 gesagt: „2010 haben wir ein Serien-Elektro-Batterie-Fahrzeug.“ Das war dann der i-MiEV, der dann auch tatsächlich 2010 da war. Und damals, 2005 hat so eine Lithium-Ionen-Batterie pro Kilowattstunde grob noch 1000 Euro gekostet. Und man hat dann prognostiziert, bis 2020 sind wir bei 300 € pro kWh oder Dollar, drehen wir mal in Dollar, 300 $ pro kWh. Und dann wird das Ganze marktfähig. Es ist viel schneller runter gegangen als prognostiziert, also zumindest so generell prognostiziert war. Und alle, die so diese Preise prognostiziert haben, wo wir heute schon sind, die wurden so ein bisschen belächelt. Wir sind heute schon unter dem, was wir eigentlich in vier Jahren haben wollen, also in quasi fast der halben Zeit. Und es sind zwischenzeitlich Preise genannt worden für die großen Abnehmer, die da Automobilhersteller heißen, von denen, die die Preise nach unten treiben, das sind die Koreaner, von unter 100 Dollar, Euro, ich weiß es nicht genau, ob Dollar oder Euro, pro Kilowattstunde auf Zellebene. Man muss noch ein System draus bauen, aber das ist signifikant nach unten gegangen. Es gibt zwar auch andere Aussagen, die zeigen, dass man für das Geld keine Zellen bauen kann, dass das irgendwie quersubventioniert ist und dass eben so ein Elektronikriese versucht, den Markt zu beherrschen und wenn er ihn dann hat, irgendwo anders vielleicht die Preise wieder anhebt. Oder dann die Preise wieder anhebt. Vielleicht auch, um zu vermeiden, dass das in anderen Ländern, wo man sehr bemüht ist, sind wir ja auch hier in Deutschland momentan, eine Zellfertigung hätten wir gerne hier, um uns unabhängig zu machen… Um das zu vermeiden, weil wenn die Preise so niedrig sind, kann keiner Wirtschaftlichkeit darstellen und dann geht da keine Industrie, kein Industrieunternehmen, was seine Aktionäre irgendwie überzeugen muss, geht in so eine Branche rein, wo man nicht zeigen kann, dass dieses Produkt dann für sich selbst ein Selbstläufer ist. Also Preise sind schneller gefallen, als man dachte. Die Gigafactory ist von den Preisen sogar höher als das, was heute von den Koreanern verlangt wird. Die bringt da gar keinen Vorteil mehr. Und es gibt so ein Ziel von dem amerikanischen Energieministerium, dem Department of Energy: 150 $ pro kWh auf Systemebene. Also das gesamte Batteriepack, nicht nur die Zelle. |
| [02:19:33] | Wo sind wir da heute, nur nochmal ganz kurz zum Vergleich? |
| [02:19:35] | Auf Packebene? |
| [02:19:37] | Systemebene. |
| [02:19:38] | Auf Systemebene, das kann ich jetzt nicht genau sagen, aber ich würde mal sagen, da sind wir unter 300. |
| [02:19:44] | Okay, also ganz grob eine Halbierung ist angestrebt. |
| [02:19:47] | Ja, aber das ist jetzt, weil wir halt noch nicht die Stückzahlen haben auf der Systemebene. Und weil wir uns da noch nicht so richtig hochautomatisiert haben vielleicht. Da geht relativ viel noch. Wichtig ist, dass diese Zellen erst mal preiswert sind. Und wenn man das dann in Masse baut, da sind dann die Gewinnspannen bloß 10 %, wenn ich aus Zellen ein System mache, oder kleiner als 10 %. Also lange Rede, kurzer Sinn: Die Preise, die werden dahin gehen, wo man die möchte. Man sieht auch, dass die großen Batterien in Fahrzeugen… Wir haben ja angefangen mit irgendwelchen 16 kWh Batterien in Elektrofahrzeugen. Und da kommt man so gerade 100 Kilometer weit. 160 Wattstunden Energie, um einen Kilometer Auto zu fahren. Und dann sind wir schon bei gut 20 kWh, so ein Nissan Leaf. Und jetzt geht es Richtung 30. Der neue Nissan Leaf, als auch der neue i3, die neue i3 Batterie, die müssen so um die 30 kWh haben. Und man redet auch von 50 kWh. Also man nutzt den günstigen Preis, um mehr Batterie ins Auto zu packen. Das heißt, der Energiespeicher wird nicht billiger als solches, aber ich kriege mehr Reichweite damit. Und es gibt auch zwischenzeitlich Aussagen, dass in nicht mehr allzu langer Zeit das Elektroauto, wenn ich die gesamten Kosten nehme, billiger wird als das Verbrennungsfahrzeug. |
| [02:21:28] | Ja, davon ist auszugehen. |
| [02:21:30] | Und wenn die Reichweite dann gleich groß wird, auch davon gehen viele aus, dass man das erreicht, dann kann das Ganze sehr schnell gehen. |
| [02:21:40] | Klar. Die Frage ist halt nur, wann das ist. Gerade, ich denke, Reichweite ist ganz kritisch. Die Frage ist, ob das in drei Jahren oder in zehn Jahren passiert. Da gehen, glaube ich, die Meinungen auch auseinander. |
| [02:21:51] | Ja. Wichtig ist, sagen wir mal, aus meiner Sicht ist es eben wichtig, dass die Elektromobilität dahin kommt. Und es ist jetzt gar nicht wichtig, dass das in drei oder in fünf oder in zehn Jahren ist. Für mich ist das Attraktive daran, dass man die Elektromobilität mit den erneuerbaren Energien kombinieren kann, sprich: Das Elektroauto kann ich zu 100 % aus erneuerbaren Energien aufladen und kann damit meinen nachhaltigen, individuellen Verkehr darstellen. Auch wenn heute immer wieder irgendwelche Argumente zu hören sind: „Ja, wenn man mit Braunkohle die Batterien auflädt…“ Klar, aber die Technologie hat das Potenzial mit Erneuerbaren eben zu arbeiten. Das hat das Verbrennungsfahrzeug nicht. Wir können nicht genug Biomasse produzieren, um damit Autos zu tanken. |
| [02:22:40] | Selbst das Argument mit der Braunkohle, also Braunkohle haben wir eh nicht mehr, aber mit Kohlekraftwerken generell gilt meines Erachtens nicht, weil ich in stationären Kohlekraftwerken besser gute Filter einbauen kann und ich die im Auto eben nicht mit rumfahren kann. Also selbst das Argument zählt eigentlich nicht wirklich. |
| [02:22:56] | Naja, die Energieeffizienz von einem Verbrennungsfahrzeug ist eben auch bloß 20 %. In einem modernen Kraftwerk geht das bis 40 %. Aber für mich ist es die Zukunftsperspektive, dass eben diese erneuerbaren Energien 100 % kompatibel sind mit der Elektromobilität. Und das finde ich eben sehr sehr charmant. Und das ist nicht nur deswegen kompatibel, weil ich meinen Strom dann aus Wind und Sonne kriege zum Beispiel, sondern, wenn mein Fahrzeug dann an der Steckdose ist, kann das auch eine gewisse Netzdienstleistung machen und die Schwankungen, die im Netz durch die Erneuerbaren eben kommen, je größer der Ausbau der Erneuerbaren ist, die kann dieser Speicher eben mit abfangen. |
| [02:23:41] | Also kann quasi das Auto den Akku im Auto als Netzpuffer verwenden? |
| [02:23:44] | Genau. Und da gibt es die einfachste Variante, gesteuert zu laden. Also ich weiß, es ist viel Wind da, es gibt Überschussenergie, dann lade ich eben jetzt und nicht erst in zwei Stunden. Oder ich nutze die Tag-Nacht-Schwankung eben aus. Und das ist einfach sehr sehr attraktiv. Und durch diese Smartgrids, die wir eben haben und diese intelligenten Stromsysteme… |
| [02:24:07] | …noch nicht haben, aber hoffentlich vielleicht bald haben… |
| [02:24:10] | …irgendwann mal haben werden, kann man das natürlich sehr schön zusammen bringen. Also das finde ich eben einen ganz charmanten Punkt an den Elektroautos, der die sehr zukunftstauglich macht. |
| [02:24:21] | Wenn man das zu Ende denkt, ist klar, dass das System kommen muss. Das ist gar keine Frage. |
| [02:24:26] | Und das Nadelöhr ist die Batterie. Also die elektrischen Maschinen, die Leistungselektronik, das funktioniert alles fantastisch. Es ist… Der Energiespeicher ist das Kritische. |
| [02:24:36] | Wo wir gerade drüber reden, was so ein Akku sonst noch tun kann, also zum Beispiel eben als Puffer hier herhalten, eine Frage, die von einem Hörer auch kam: Wann kann ein Akku denn Strukturaufgaben übernehmen? Also man könnte zum Beispiel die Struktur des Autos möglicherweise zum Akku bauen und damit Gewicht und Volumen sparen. Ist sowas absehbar? |
| [02:24:58] | Ich hatte ja vorhin gesagt, wir haben in Singapur für so ein Elektrotaxi ein Projekt gehabt. Und da war es tatsächlich so, dass dieser Akku ein Strukturelement des Fahrzeugs war, sprich: Der Akku hat ja auch etwa 500 Kilogramm gewogen und das Gehäuse des Akkus, der war eben im Unterboden, relativ flächig, das heißt, der hatte relativ attraktive Geometriemöglichkeiten, um da eben eine Versteifung dieses Chassis hinzubringen. Das kann man da durchaus machen, denn der Akku, der liefert ja am Schluss 25 – 35 % der Gesamtmasse. Das heißt, ohne den Akku kann das Auto so erst mal nicht zusammenbrechen. Und wenn man den Akku dran macht, muss der selber dann da was machen. Es sind aber dann nicht die Zellen, sondern es ist das Gehäuse dieses Akkumulators, denn die Zellen, die da einzeln sind, die kann man jetzt nicht so verkleben, dass die dann ein massives, steifes Element bilden. Die haben insbesondere auch ein bisschen Volumenarbeit, dehnen sich ein bisschen aus… |
| [02:26:06] | Durch die Wärme? |
| [02:26:07] | Ja, durch die Wärme, durch das Aufladen. Ein bisschen sieht man am Gehäuse. Und dann wäre es schlecht, wenn man dann sowas als tragendes Element nimmt. Aber das Gehäuse dieses Akkus, das kann natürlich da Strukturaufgaben übernehmen. Genau. |
| [02:26:26] | Stichwort Elektrofahrzeuge nochmal: Ein Thema, was man da ja hat und was auch mit dem, was wir vorhin besprochen haben, dass Lithium-Ionen-Akkus halt potenziell auch mal Feuer fangen können… Es gibt ja da, glaube ich, habe ich mal gehört, diese Story, dass irgendwo ein Tesla wohl anscheinend einen Unfall hatte und der ewig lang nicht weg transportiert werden konnte, weil niemand wusste, wie man mit diesem Akku, der ja immer noch Energie enthält, umgeht. Also das ganze Thema Crash, Energie, Akku, brennen, Explosion, was ist denn da die Antwort der Batterietechniker? |
| [02:27:03] | Also vielleicht erst mal Gefahrenmomente, -potenziale von Elektrofahrzeugen. Der Tesla, den es ja jetzt doch auch schon eine gewisse Zeit lang gibt, da gab es, ich glaube, vor knapp zwei Jahren oder vor anderthalb Jahren, tatsächlich drei Unfälle, bei denen Fahrzeuge anfingen zu brennen. Und zwei Fahrzeuge sind über Metallteile gefahren, die dann sich von unten in die Batteriepack reingebohrt haben und einen Kurzschluss gemacht haben mit der Folge, dass diese Batterie anfing zu brennen. Es war aber dann so, dass der Fahrer gewarnt wurde, rechts ranfahren und die sind ausgestiegen, also es gab da keinen Personenschaden. Der Fahrgastraum ist nicht abgebrannt, da das eben feuertechnisch in diesem Fahrzeug gekapselt ist im Vergleich zu klassischen Fahrzeugen. Wenn das brennt, brennt es meistens innen auch. Das ist Teil des Sicherheitskonzeptes von so einem Fahrzeug. Auch dass dann die Gesamtbatterie so modular ist, dann greift das nicht unbedingt von einem Modul ins andere über. Also da gibt es verschiedene Sicherheitskonzepte. So, und ein Fahrzeug, das verunfallt ist, das ist mit einer sehr hohen Geschwindigkeit irgendwie aus einem Kreisverkehr rausgeflogen und gegenüber eine Mauer und gegen irgendwas geknallt. Da hätte jedes andere Fahrzeug mindestens genauso schlimm ausgesehen. Statistisch gesehen – Teslas gibt es ja jetzt doch einige auf der Straße – passieren mit Elektrofahrzeugen bis heute weniger Feuerunfälle oder Brände als mit klassischen Verbrennungsfahrzeugen. Also das ist erst mal die gute Nachricht. Und das ist, glaube ich, schon statistisch relevant. Wenn man da jetzt ein Fahrzeug unterwegs hat, der Nissan Leaf, da gibt es 200.000 Fahrzeuge, da gibt es, habe ich zumindest vor einem Jahr die Nachricht gehört, gab es gar keinen Vorfall bisher mit Feuer. Ich weiß jetzt nicht, ob es da einen Unfall oder sowas vielleicht mal gab, aber ich würde erst mal generell zusammenfassen: Das Gefahrmoment von der Batterie ist scheinbar statistisch gesehen nicht so schlimm wie das von Benzin. Trotzdem ist es natürlich so, dass, wenn so ein Fahrzeug verunfallt, dann haben wir zwei Dinge. Wir haben einmal viel Energie in diesem Speicher und wenn der thermisch durchgeht, weil da irgendwie noch ein Kurzschluss entsteht, dann kann das halt schnell reagieren. Deswegen würde ich da auch mal eine Weile warten, bis das vielleicht kalt ist alles. Und das Zweite ist: Wir haben natürlich diese hohe Spannung von 400 V. Und in einem Crash kann man natürlich die Verkabelung und so weiter alles beschädigen und auch Sicherheitselemente. Und es wäre natürlich fatal, wenn Sicherheitspersonal, also Hilfskräfte dann da helfen wollen und dann einen Schlag kriegen. Es ist so, dass es momentan Projekte gibt zusammen mit Feuerwehr und Hilfskräften, wie man an so ein Unfallfahrzeug rangeht, was man macht, was man nicht macht. Da muss man sicher auch lernen, aber ich sehe das jetzt nicht als kritisch an. Es ist natürlich so, wenn das etwas Neues ist, steht man erst mal mit Respekt davor. Verstehe ich auch. Also als Sicherheits-… Man darf sein eigenes Leben auch nicht in Gefahr bringen, sondern da ist die eigene Sicherheit erst mal vor der des anderen. Aber da braucht man halt ein gutes Verständnis, wie die Gefahrenmomente sind. |
| [02:30:36] | Das ist ja heute auch nicht anders. Ich meine, man weiß ja auch, dass man bestimmte brennbare Gegenstände nicht mit Wasser löscht oder dass man zum Beispiel einen Tank nicht anbohrt oder so. Also ich meine, da hat man ja auch Erfahrung gesammelt. |
| [02:30:47] | Ja, oder schweißt irgendein… Ja, am Auto und leider ist der Tank dahinter. So, und dann gibt es da natürlich auch Sicherheitselemente, das heißt, in den Batteriespeichern gibt es immer so einen orangenen Unterbrecherkontakt. Den kann man so rausziehen und damit wird die Batteriespannung unterbrochen. Das ist irgendwo in der Mitte von dieser Serienschaltung. Also da gibt es schon so ein paar Vorkehrungen, das zum Beispiel normalerweise der Service rausmacht. Wenn er dran arbeitet, kann er diesen Stecker ziehen und dann weiß er, jetzt ist das Ding spannungslos. Aber es ist etwas Neues und deswegen muss man einfach den Umgang damit lernen. Ich glaube, langfristig ist das nicht schwieriger und kritischer als die konventionelle Technik, aber man muss da sich eben mit auseinandersetzen und die Gefahrenmomente verstehen und beherrschen. |
| [02:31:45] | Bevor wir zu deiner Forschung kommen, möchte ich nochmal einen anderen Punkt ansprechen, der auch, wenn man so will, potenziell auch eher auf der sozusagen negativen Seite zu verbuchen ist. Das ganze Thema Recycling, Umwelt, ja, Ökobilanz von einer Batterie. Wie sieht das denn aus? Also ein Kritikpunkt oder ein Punkt ist ja, dass viele Batterietechnologien irgendwie seltene Erden oder Schwermetall oder irgendsowas benötigen, was ja auch nicht unbedingt immer so angenehm ist, was das Recycling oder die Entsorgung angeht. Generell, wie sieht da die Situation aus? |
| [02:32:20] | Genau, also Schwermetall ist tatsächlich in vielen Systemen drin. Die Bleibatterie wie gesagt nur Blei, die Nickel-Cadmium-Batterie Cadmium, Nickel ist immer so naja, was ist das jetzt, ein Schwermetall oder eben nicht? Dann haben wir bei den Lithium-Ionen-Systemen… Naja, da gibt es Cobalt, da gibt es Nickel, da gibt es Mangan, da ist Kupfer drin, da ist Aluminium drin. Das sind so die wichtigsten Rohstoffe, also Metalle, die da drin sind. Und ich sagte ja vorhin schon, die Bleibatterie kann man sehr gut recyceln, also dieser Recyclingprozess ist sehr einfach, sehr preiswert. |
| [02:33:05] | An was liegt das? Weil nicht so viele verschiedene Materialien drin sind und deshalb leicht separiert werden können? |
| [02:33:10] | Genau, weil eigentlich nur Blei drin ist. Manchmal sind so ein bisschen Legierungsbestandteile drin, das macht das dann ein bisschen schwieriger. Aber wenn man zu so einem Bleibatteriehersteller geht, dann hat der meistens auch irgendwie so eine kleine Hütte, die alte Batterien wieder einstampft und einschmilzt. Und das wird dann dazu verwendet. Das heißt, man kann dieses Material mit der gleichen Qualität wieder aufarbeiten und es ist kein Downcycling. So, und das kann man die verschiedenen Systeme so ein bisschen durchgehen. Nickel-Metallhydrid-Batterien, da ist viel Nickel drin, ein bisschen seltene Erden oder eben diese Legierungen, die drin sind. Da ist das Recycling heute so: Die Dinger werden geschreddert und zur Edelstahl-Herstellung beigegeben als Legierungsbestandteile, weil das ist ja Chrom, ja, also es ist downgecycelt, muss man fairerweise sagen. |
| [02:34:03] | Ja gut, aber halt immerhin. |
| [02:34:05] | Ja, man braucht halt für die Herstellung sehr reine Materialien, denn geringste Fremdelemente führen zu Nebenreaktionen und kurzer Lebensdauer und so weiter. Das heißt, battery grade material sind so die besten Materialqualitäten, die man bekommt. Und die werden eben dann nach Gebrauch runtergecycelt und zur Edelstahl-Herstellung zugegeben. Das ist schon Downcycling, aber immerhin. Das ist auch ein einfacher Prozess, der nicht kompliziert ist. Bei den Primärbatterien ist viel Zink drin. Das ist wirtschaftlich nicht wirklich attraktiv. Früher war bei den Alkali-Mangan, das ist aber schon wirklich eine Weile her, Quecksilber drin, um da so Gasung zu unterdrücken. Diese Batterien waren Sondermüll, also die musste man wirklich… konnte man nicht recyceln. Und durch die Batteriedirektive wurde das dann verboten und heute haben diese Zellen eben andere Stoffe drin, aber kein Quecksilber mehr, auch kein Blei, sodass man die auch wieder eben aufarbeiten kann. Jetzt kommen wir aber zu dem spannenden Thema Lithium-Ionen-Batterien und bei Lithium-Ionen-Batterien haben wir eben einen Metallmix oder Metalloxid-Mix drin. Und das Interessante ist: Da gibt es Metalle, die lohnen sich rauszuholen. Cobalt zum Beispiel ist relativ teuer. Nickel, das schwankt immer relativ stark, aber es ist auch was eher Wertvolles. Und Mangan ist eher sehr preiswert. Ebenso haben wir vorhin mal über Lithium-Eisenphosphat als eine Lithium-Ionen-Technologie gesprochen. Eisen ist nun auch nicht so teuer, was bedeutet: Je nach Zellchemie, die da drin ist, ist das vielleicht gar nicht wirtschaftlich sich mit dem Recycling zu beschäftigen. Und wenn es da nicht politische Zwänge gibt, dass recycelt werden muss, dann würden das auch nicht so viele machen. Aber es gibt eben Zwänge. Gerade in der Automobilindustrie gibt es ja Quoten, wie viel wieder aufgearbeitet werden muss. Und da gibt es Prozesse, mit denen man diese Metalle wieder trennen kann. |
| [02:36:26] | Da gibt es dann chemische Prozesse wahrscheinlich. |
| [02:36:28] | Thermische. Thermische Prozesse zum Beispiel, mit denen man das wieder trennen kann. Da gibt es Forschungsprojekte, mit denen man sich intensiv auseinandersetzt. Es gibt auch schon ein paar Recycling-Anlagen, wobei man da nicht so ganz genau weiß, wie gut da die Materialien wieder rausgeholt werden. Ich würde mal sagen, es geht immer der Wertigkeit nach. Cobalt, Nickel, Kupfer haben wir ja als Folie drin, ist auch noch spannend. Sowas wie Aluminium, das ist nicht teuer. Mangan, da wird man dann versuchen, das Zeug da nicht rauszuholen. Dann gibt es immer so die Diskussion Lithium. Lithium ist ein relativ seltenes Material. |
| [02:37:15] | Haben wir da genug für alle Autos? |
| [02:37:17] | Ja, genau. Wo kommt das Lithium her? Lithium taucht im Meerwasser auf, ist also da so als Salz drin, als ein Lithiumsalz. Allerdings mit sehr geringen Konzentrationen: 0, irgendwas ppm. Und das da rauszuholen ist technisch heute aufwändig zu teuer, aber das ginge theoretisch. Das Lithium holt man aus den Salzseen heute hauptsächlich. Besonders in Südamerika, in Bolivien wird durch Verdunstung aus den Seen das Salz geholt. Und dann das Lithium-Carbonat, was man da dann gewinnt, wird dann aufgearbeitet. Das ist die Hauptquelle für dieses Lithium. Das Gute ist: Wir brauchen nicht so viel Lithium. In so einer Batterie für ein Elektroauto sind, wenn ich jetzt nur das Lithium nehme, so ganz grob vielleicht drei Kilogramm Lithium drin, so über den Daumen geschätzt. Und obwohl die Batterie 200 Kilogramm wiegt. Also so anderthalb Prozent der Masse. Also hält sich das in Grenzen. Es gibt ferner auch Erze, wo Lithium drin ist. Also da gibt es schon eine ganze Menge und die Mengen, die wir haben, das würde schonmal eine Zeit lang reichen. Allerdings müsste man so ganz langfristig dann noch überlegen, wie man das Lithium wieder zurückgewinnt, auch wenn es bloß drei Kilogramm sind. Und das ist eben heute nicht der Fall. Also das Lithium holt man beim Recycling heute nicht raus, weil es einfach zu billig ist. |
| [02:39:00] | Okay, also nicht, weil technisch nicht geht, sondern weil es sich wirtschaftlich nicht lohnt? |
| [02:39:03] | Es lohnt sich wirtschaftlich nicht. Und es ist eben auch verteilt. In den Elektrolyten, da ist Lithium drin, ein bisschen Lithium in der Anode, ein bisschen Lithium in der Kathode. Das heißt, das ist gut verteilt in dem System und man muss sich mit vielen Dingen da auseinandersetzen. Kann man sagen, dass forschungsmäßig da ein paar große Projekte gelaufen sind und noch laufen und es intensive Bemühungen gibt, das besser zu machen. Eine zweite Alternative besteht darin, sich zu überlegen: Kann man denn die Nutzung von diesen Batterien verlängern? |
| [02:39:40] | Second life. |
| [02:39:41] | Und da kommt genau das Thema Second life. Also die Batterie macht im Auto, ich sage jetzt mal, acht Jahre und würde es vielleicht im Auto noch ein weiteres Jahr tun, aber wenn man sie rausnimmt, dann kann man sie in stationären Anwendungen vielleicht noch fünf Jahre nehmen – also das sind so rein ganz grobe Zahlen – und damit die gesamte Nutzungsdauer verlängern. Oder man könnte sich auch vorstellen, dass fürs Elektroauto die Batterie, die sehr stark belastet wird, durch Schnellladung zum Beispiel, dann gewechselt wird mit jemandem, der da bloß immer pendelt und jeden Tag zehn Kilometer fährt. Und dann kriegt eben der, der viel fährt und die schnelleren braucht, kriegt dann seine gute Batterie und der andere nimmt die und es gibt eine Ausgleichszahlung. |
| [02:40:30] | Ja, das ist sowas, man kauft vom Hersteller halt keine Batterie, sondern Fahrkilometer und dann ist es mir egal, was die mir einbauen, solange es funktioniert. Da hat der Hersteller die Optimierung. |
| [02:40:39] | So ein Betreibermodell ist sehr interessant, weil dann hat der Hersteller einen großen Drang, die Batterien möglichst optimal auszunutzen. Und dann wird er sich solche Modelle einfallen lassen und wird sagen: „Du Pendler, wenn du die Batterie nimmst, dann zahlst du nicht mehr 70 Euro im Monat, dann kriegst du die für 50. Aber bei dir würde die funktionieren zu 98 % der Fälle.“ Und mit solchen Dingen kann man natürlich da was machen. Und da haben so Betreibermodelle gegenüber eben, ich muss die Batterie als Endkunde kaufen, egal was ich damit mache, die stirbt aufgrund zeitlicher und zyklischer Belastung. Und diese Second life Geschichte, die wird… Es ist auch das Interessante, was man sieht, hat, haben wir noch vor… |
| [02:41:33] | So war es nicht gemeint. |
| [02:41:34] | …haben wir noch vor fünf Jahren, als so die Automobilleute so ernsthaft hier in Deutschland anfingen, Elektroautos richtig zu entwickeln, die Situation gehabt, dass das Second life belächelt wurde und man da wirklich gehört hat: „Nee nee, ihr müsst ja erst mal unsere Autos zum Laufen bringen. Das interessiert uns überhaupt nicht.“ Da sind sie heute alle, ausnahmslos alle dabei, sich intensiv mit Second life auseinanderzusetzen. Ich denke, das kam zum Einen wieder über den Tesla, der ja vor einem Jahr diese Powerwall vorgestellt hat, die man übrigens immer noch nicht kaufen kann. Typisch diese amerikanische Art. Aber ich weiß, dass eben… Ein Daimler hat jetzt ein Subunternehmen, eine Tochter gegründet, die sich eben mit stationären Batterien beschäftigt. Ein BMW macht sowas. Die Anderen machen das auch. Und die beschäftigen sich sehr intensiv mit Second life und ich glaube, aus zwei Gründen: Einmal, weil sich so ein Autohersteller, der jetzt auch zum Batteriehersteller wird, eben sagt: „Meine Batterie kann ich ja eigentlich auch noch in den Markt bringen und mit wenig Aufwand eine zweite Geschäftssäule aufbauen. Und zum Zweiten kann ich tatsächlich mit Second life vielleicht einen Benefit da rausschlagen.“ Und drittens ist es, glaube ich, vom Image sehr gut, wenn man sowas macht. Das kann man sehr schön darstellen. Und deswegen ist das tatsächlich bei den ganzen Fahrzeugherstellern da interessant. |
| [02:43:01] | Man hat sowieso so das Gefühl, in den letzten zwei Jahren vielleicht, dass… Also wie gesagt, vielleicht tue ich den deutschen Automobilherstellern damit Unrecht, aber ich habe das Gefühl, so langsam wachen sie auf und denken auch eben über dieses Stichwort Mobilitätsdienstleister nach. Also diese ganzen Geschichten kommen so langsam ein bisschen. |
| [02:43:17] | Ja, ja, das sehe ich genauso. Und ich sage mal, wir können froh sein, dass wir so einen Tesla haben, der da Druck ausübt. |
| [02:43:28] | Absolut. |
| [02:43:28] | So ein Faraday, der da diese Dienstleistung vorantreiben will. Und ich glaube, man hat den Tesla, als er mit dem Roadster anfing, sehr stark belächelt. Und als er mit diesem Model S kam, ist man doch etwas erschrocken, dass das so schnell geht. Und jetzt kommt dieses autonome Fahren. Und für mich ist das immer so ein bisschen wie die Bildschirmtechnologie. Es gibt einen Technologiesprung von der Röhre hin zum Flachbildschirm. Hier in Europa waren wir die besten Röhrenhersteller. Da gab es so einen in den Niederlanden, der hier tolle Werke hatte. Oder auch so ein Grundig. Wir haben das hier in Europa verpasst, diese Dünnschichtdisplays zu machen. Heute sind die Koreaner da oder sagen wir mal, die Japaner und die Koreaner führend. Und die machen jetzt natürlich nicht nur Bildschirme, die machen jetzt halt auch die ganzen Fernseher. Fernsehindustrie bei uns ist quasi tot. Und ich sehe das auch so ein bisschen ähnlich die Gefahr bei den Fahrzeugen. Und Gott sei Dank wachen die jetzt auf und haben gute Vorarbeit geleistet. Die können das. Und ich sage mal, diese klassische Maschinenbaudynastie weicht so ein bisschen auf und sagt sich: „Wenn wir weiter auf unseren klassischen Zahnrädern hängen bleiben, dann überholen die uns rechts und dann geht das ganz schnell, dass wir nicht mithalten können.“ Gott sei Dank wachen die auf. Wir haben das jetzt ja gesehen: VW sagt auch, das ist ein Zukunftsfeld. Daimler geht da jetzt massiv rein und BMW ist da ja auch schon unterwegs ganz gut. Denn ich glaube, das geht tatsächlich schneller, als die meisten denken, dass das kommt. |
| [02:45:19] | Ja, das… Ich kann das nicht so richtig begründen, aber ich habe das Gefühl auch. Also auch das mit dem autonomen Fahren, das kommt ja auch alles irgendwie zusammen dann. |
| [02:45:26] | Das geht mit dem Elektroantrieb auch viel besser als mit dem Verbrennungsantrieb, autonom fahren. |
| [02:45:30] | Das ist leichter zu regeln. |
| [02:45:31] | Ich kann das viel leichter regeln, ja. Ich kann das Tanken wireless, das andere muss ich irgendwie einen Roboter haben, der mir so einen Schnorchel dahin macht. Also es passt besser zu diesem elektrischen System. Und deswegen macht ja auch ein, wie heißen sie, ein Google und ein Apple und wie alle so solche Geschichten da bauen, die machen es mit Elektroautos und nicht mit Verbrennungsfahrzeugen. |
| [02:45:56] | Naja, ist ja auch die einzige Chance, weil wenn sie es mit Verbrennungsfahrzeugen machen würden, müssten sie eben mit den Platzhirschen da konkurrieren, wo sie gut sind. So wie sie es jetzt machen, konkurrieren sie mit den Platzhirschen auf anderen Gebieten, zum Beispiel mit dem ganzen Entertainment-Navigationssystem, was die besser können. Also ich meine, das ist auch so ein bisschen: Wir suchen uns sozusagen die Waffen selber aus. |
| [02:46:15] | Es kommt ja noch ein dritter Player rein. Jetzt haben wir so die großen IT-Firmen wie ein Apple und ein Google, die natürlich von der Seite kommen. Dann kommen die klassischen Hersteller, die wir hier jetzt in Europa zum Beispiel sehr stark haben. Und dann kommen die Elektronikhersteller, die wir in Korea und Japan haben. Und wenn man sich mal das anschaut, die haben die Zellchemie, da sind die einfach weiter, weil die da mehr investiert haben. Im Übrigen deswegen, weil die Japaner damals gesagt haben, da gibt es ein schönes Zitat des damaligen CEOs von der Firma Sony, der sagte: „Diejenigen, die die besten Batterien bauen, werden die Marktführerschaft dieser mobilen Geräte haben.“ Und die kamen von, ich sage mal, diesem Walkman und Discman und wie das alles hieß und Handy. Und deswegen sind die ganzen Elektronikfirmen heute Zellhersteller. Sony macht Zellen, Panasonic macht Zellen, Toshiba macht Zellen, LG, Samsung, alles Elektronikriesen, die für ihre Geräte versucht haben, gute Zellen zu bauen, um da am Markt eben einen Vorteil zu haben. So, und das haben sie genutzt, um große Zellen jetzt zu bauen für Fahrzeuge. Und die schlafen ja auch nicht. Und zwischenzeitlich versuchen diese asiatischen Firmen, nicht nur Zellen zu bauen, sondern auch Systeme. Wir sind systemisch sehr gut hier in Europa, gerade besonders in Deutschland ingenieursmäßig. Und das versuchen die jetzt, diesen Teil der Wertschöpfungskette zu bekommen. Und man sieht bei General Motors, das neueste Fahrzeug kriegt nicht nur die Zellen von LG, sondern kriegt das Batteriesystem, den gesamten elektrischen Antriebsstrang kommt von LG. Das heißt, die werden jetzt zum kompletten Zulieferer des Antriebsstrangs. Das, was vielleicht bei uns so ein Continental oder ein Bosch macht, das machen die mal eben auch. Und das ist eigentlich eine große Gefahr für unsere Automobilindustrie, dass wir tatsächlich nicht nur die Batterie verlieren, sondern den ganzen Antriebsstrang. |
| [02:48:30] | Aber was bleibt denn dann noch übrig? Ich meine, weil das Entertainment und so, das wie gesagt kommt dann mit Apple – Wie heißt das? – Android Auto und Apple CarPlay und wie das heißt. Dann wird es schon langsam eng. Mit dem Spaltmaß kann man dann irgendwann nicht mehr trumpfen. |
| [02:48:44] | Ja, dann kann noch die Präzision und das schöne Auto und die guten Ledersitze da kommen. Und das lässt ja nach, also die junge Generation, die legt auf Ledersitze eben keinen Wert mehr. Die sagt sich: Lieber ein gescheites Handy als ein teures Auto. Und ich möchte Mobilität haben, ich möchte gar kein Auto mehr selber besitzen. Und das wird da eine große Veränderung geben. Ja, ich glaube auch, wenn die autonome Fahrerei kommt, dann ist das vielleicht am Anfang so, dass die Leute sich das dazu kaufen und das toll finden, wenn sie hinterm Steuer sitzen und nicht mehr lenken müssen. Aber tatsächlich wird das dann so sein, dass das in so einer Art Uber oder Taxiunternehmen Einzug hält und die Fahrzeuge stärker ausgelastet werden und viel weniger Individualfahrzeuge unterwegs sind. Und das bedeutet eben, dass die Automobilindustrie weniger Autos produzieren wird mal irgendwann, was natürlich zu dem Businessmodell nicht passt. Und deswegen kommt das Umdenken, wir müssen über Mobilitätskonzepte nachdenken, was die auch alle tun. |
| [02:49:56] | Ja, interessante langfristige Perspektiven. Lass uns mal ein bisschen über deine, oder eure – machst du sicher nicht allein – Forschung reden. Wo fangen wir da an? Was macht ihr generell? Also macht ihr mehr Zelle, macht ihr mehr System oder macht ihr alles? |
| [02:50:15] | Genau, also wir sind ja in der Elektrotechnik hier angesiedelt und nicht in der Chemie. Und wir beschäftigen uns eben mit Ingenieursfragen von Material bis zur Anwendung von Systemen. Und es gibt am Lehrstuhl verschiedene Teams, die sich mit verschiedenen Schwerpunkten auseinandersetzen. |
| [02:50:38] | Wie groß ist der Lehrstuhl, wie viele Leute? |
| [02:50:39] | Der Lehrstuhl sind momentan etwa 30 Doktoranden und wir sind dann insgesamt, wenn wir alle so zusammen zählen, vielleicht knapp 40 Leute. Und diese Teams, das teilt sich jetzt auf: Es gibt ein Team, die beschäftigen sich sehr intensiv mit der Alterung von Zellen. Die haben da hinten ein Batterielabor, da werden Zellen zyklisiert, da werden Alterungsmodelle entwickelt, da wird untersucht, warum Zellen altern, auch sehr eng in Zusammenarbeit mit der Chemie. Wir arbeiten da auch viel zusammen mit den anderen Fakultäten und dort den Lehrstühlen. Das ist ein Thema. Und was wir da draus dann machen, ist zum Beispiel: Wir entwickeln Modelle, die uns zeigen, unter welchen Betriebsbedingungen Zellen wie schnell altern. Und dieses Wissen, das nutzen wir dann, zum Beispiel in der Gruppe, die Energiespeicher ins Netz integriert, stationäre Energiespeicher, nämlich die Betriebsstrategie, die dann dahinter steckt. Wenn ich weiß, dass der Speicher zum Beispiel zwischen 30 und 50 % Ladezustand schneller altert als zwischen 60 und 80, dann versuche ich das eben möglichst selten, da reinzukommen, statistisch. Und da brauche ich aber so ein Modell, das das beschreibt. Und dann mein Energiemanagement, was natürlich darauf reagiert. Und dazu braucht man dann dieses Wissen. |
| [02:52:05] | Ganz kurze Zwischenfrage, hatte ich vorhin nicht gefragt: Wird durch solche intelligenten Batteriemanagement- und -steuerungsansätze auch nochmal, weiß ich nicht, 10 % Leistung aus einer Batterie rausgeholt? Ist das auch eine Richtung, aus der letztendlich Netto-Fortschritt kommen könnte? |
| [02:52:23] | Ja, da kommt auch nochmal was raus. Also erst mal, wenn ich von der Zelle zum System gehe, bisher waren wir nur – wir waren schon ein bisschen beim System, aber noch nicht alles – kann ich natürlich auch wieder Masse sparen, indem ich mir überlege, was ich da alles einbaue und wie ich das clever mache und wie ich es gut kühlen kann. Da kann man auch ein paar Prozent rausholen. Und dann natürlich bei der Steuerung. Wenn ich einen Ladezustand sehr genau vorhersagen kann und weiß, wann ich unten ankomme, dann kann ich auch die Batterie besser ausnutzen. Und mit solchen Sachen, da beschäftigen wir uns. Und wenn man natürlich solche Algorithmen wie gerade beschrieben hat, die die Alterung möglichst stark zurückdrängen, dann bleibt die Kapazität auch über der Lebensdauer länger gut und ich hab dann natürlich auch einen positiven Effekt. Ob das jetzt als 10 % auszudrücken ist, das kann man jetzt so nicht sagen. Das muss man dann im konkreten Fall anschauen. So, also diese Alterung zum Beispiel, die geht eben dann in diese sehr anwendungsorientierte Gruppe Stationäre Energiespeicher, die beschäftigen sich mit solchen Betriebsregimen. Die beschäftigen sich damit: Kann ich zwei Batteriespeicher unterschiedlicher Technologie betreiben? Eine Bleibatterie und eine Lithium-Ionen und die ergänzen sich in so einem Gesamtsystem, weil sie die negativen Eigenschaften ausschließen und die positiven nutzen können. Das wären dann so hybride Speicher. Die stellen sich die Frage: Welche Dienstleistungen braucht man im Netz? Da kann man so eine Momentanreserve haben, man kann Eigenverbrauch der Solaranlage nutzen. Und kann man die miteinander verbinden? Kann man die überlagern und ein Speicher kann mehrere Funktionen machen? Kann man Speicher, die verteilt sind, räumlich, clever steuern, sodass man da Vorteile draus hat? Also Sie haben nicht einen großen Speicher, sondern Sie haben mehrere kleine, die an verschiedenen Stellen im Netz sind. Es geht dann schon sehr stark in Fragen, die mit dem Netz verbunden sind. Mit Netzen beschäftigen wir uns nicht, sondern wir gehen nur auf die Speicher ein. So, und dann gibt es eine Gruppe, die beschäftigt sich sehr intensiv mit Modellierung und Simulation von Zellen. |
| [02:54:49] | Also sozusagen der Kern der Batterie? |
| [02:54:51] | Der Kern, aber jetzt von den fundamentalen Eigenschaften aus. Also die machen jetzt nicht so empirische Modelle, wo man ein einfaches Ersatzschaltbild hat und sagt: „Ein Zyklus ist ein Promille Kapazitätsverlust“ oder sowas. Sondern die nehmen wirklich dann ein ortsaufgelöstes, dreidimensionales Modell, wo man dann auch sieht, dass die Stromaufteilung in der Zelle eben inhomogen ist, eine Temperaturverteilung, also mit finiten Elementen löst man das dann. Und die Mechanismen, die da ablaufen, die werden dann eben durch Differentialgleichungen beschrieben, wie: Der Transport der Ladungsträger erfolgt durch Diffusion. Und das bildet dann eben am Schluss diese Zelle ab. |
| [02:55:40] | Und das wird dann auch, wie üblich, numerisch gelöst wahrscheinlich? |
| [02:55:42] | Das wird numerisch gelöst. Da gibt es Simulationsumgebungen und wir geben eben die Geometrie unseres Systems und die Parameter unseres Systems ein und versuchen, die Zellen möglichst gut nachzubilden. Und Modell ist ein… |
| [02:55:58] | Ach so, für existierende, echt… Ah, okay. |
| [02:56:01] | Für Modellbildung für existierende Zellen. Und da gibt es jetzt verschiedene Varianten, was wir machen. Also einmal für existierende Zellen und wir versuchen das zu verifizieren, haben dann also spezielle Prüfstände, mit denen wir zum Beispiel Temperaturverteilung messen können und das dann vergleichen mit den Modellen. Und das ist jetzt nicht nur eine IR-Kamera und auf die Zelle, sondern die Zelle ist in einem Batterie-Windkanal, bei dem die Zelle quasi ganz definierte Umgebungsbedingungen bekommt. Und dann können wir genau das in unserem Modell abbilden und können das eben vergleichen. Oder wir haben einen Themenschwerpunkt, bei dem wir uns mit der Mikromechanik in der Simulation beschäftigen. Also die Partikel werden ein bisschen größer, wenn man sie auflädt. Und dann wird die Zelle ein bisschen dicker. Und das bilden wir auch mit Modellen nach und haben zum Beispiel einen Laserprüfstand, wo wir dreidimensional die Zelle abscannen oder an beiden Seiten zweidimensional abscannen und damit genau messen können: Wenn man die Zelle auflädt, wird die dicker? Und können dieses mechanische Arbeiten dann da verfolgen und vergleichen das wieder mit Modellen, sehen dann zum Beispiel, wenn man die zu schnell lädt, dann wird die inhomogen dicker. Dann macht die so eine Wellenbewegung. Und wir versuchen also diese Theorie, die wir da haben, mit Modellen umzusetzen und dann aber auch das zu verifizieren, ja, also messtechnisch zu verifizieren. Was wir auch haben, sind dazu Zellen, die viele Anzapfungen haben. Also eine Zelle kann ja bis DIN A4 Blatt groß sein. |
| [02:57:39] | Eine flache dann vor allem? |
| [02:57:40] | Eine flache. Und wir haben eine Potenzialverteilung. Und wenn man jetzt Anzapfungen hat an der Zelle entlang, dann kann man die Potenzialverteilungen messen. Solche Zellen haben wir als Spezialzellen. Und auch da versuchen wir eben wieder, Modell und Simulation und die echte Zelle in Einklang zu bringen und da gewisse Effekte zu zeigen, dass eben die Temperatur hier sehr spannende Dinge verursacht, die man bisher nicht gekannt hat. Das ist so da drin ein großes Thema, also Simulation und Verifikation von Dingen in der Zelle drin. Das ist so eine große Gruppe. Und dann gibt es eine Gruppe, die beschäftigt sich mit den ganzen Fragen des Batteriemanagements. Die machen da hauptsächlich Algorithmik, zum Beispiel Ladezustand, Alterungszustand… |
| [02:58:39] | …was wir vorhin besprochen hatten, ja. |
| [02:58:40] | Es ist zum Beispiel so, es gibt zu Ladezustandbestimmungen, wenn man Literatur wählt, hunderte von Papers, die das beschreiben. Von den hunderten von Papers wird es bestimmt 200 Papers… Vielleicht sind es auch 1000 Papers, die das Kalman-Filter verwenden. Aber keiner erzählt so richtig, wie er das Ding parametriert hat. Da gibt es nämlich so ein paar Tuning-Parameter, nennt man das immer, die irgendwie vom Himmel fallen da drin. Und das sind dann so die Dinge, die uns dann plötzlich eben interessieren. Also kann man da tatsächlich Zusammenhänge darstellen von theoretischer Seite. Und was wir da jetzt entwickelt haben in den Themen, ist eine Methode, um Ladezustandsalgorithmen zu validieren. In den ganzen in der Literatur stehenden Beiträgen werden immer schöne Algorithmen entwickelt, dann kommt ein Entladevorgang, manchmal eine Stunde. Und dann kommt dann raus: Passt wunderbar, 0,5 % Fehler. Und da sind keine Ansätze von Temperaturabhängigkeit oder Alterung drin. Es gibt dann ein paar, die ein bisschen mehr machen. Und dann ist vielleicht da ein Zyklus über einen Tag drin. Und das ist dann die Validierung. Und wir haben uns eben jetzt mal überlegt: Was sind so die Kriterien? Das ist eben: Wie schnell schwingt denn so ein Filter ein? Hat das Drift? Ist das stabil? Was passiert bei Temperaturschwankungen? Und haben da so eine Open Access Publikation gemacht, in der diese Methodik publiziert wird und wir dann mit verschiedenen Kriterien prüfen können, wie gut ist denn diese verschiedene Funktionalität? Wir hoffen jetzt, dass natürlich andere sich dem stellen und sagen: „Ja, wir nehmen das mal für unseren Algorithmus.“ Und dann kommt halt raus: Der ist fantastisch in der Dynamik, aber da gibt es ein gewisses Potenzial zur Verbesserung in der Langzeitdrift zum Beispiel. Das ist auch so ein Thema, mit dem wir uns da beschäftigen. Und die letzte Gruppe beschäftigt sich mit Systemen und da besonders mit der Fragestellung: Was passiert eigentlich, wenn man Zellen parallel schaltet? Da haben wir vorhin so drüber geredet, alles kein Problem. Also das ist eine Fragestellung: Was passiert, wenn man Zellen parallel schaltet? Besonders, wenn man es dann auch dynamisch macht, also so einen Puls draufgibt. Dann sieht man nämlich, dass die eine Zelle den stärker aufnimmt. Dann wird die ein bisschen mehr entladen und wenn man die wieder in Ruhe lässt, dann lädt sie das wieder zurück. Und wie wirkt sich jetzt sowas auf eine Alterung zum Beispiel aus? Also wir würden gern so den allgemeinen Beweis irgendwie führen, wenn man Zellen gleicher Art parallel schaltet, dann symmetrieren sich die immer und es kann nicht passieren, dass eine Zelle da drin divergiert und schneller altert als die anderen. Also wenn wir Packs auseinander nehmen, die schon gealtert sind, wo Zellen parallel geschaltet sind, da haben wir mal ein paar angeguckt. Da haben wir gesehen: Die Streuung dieser Zellen, die ist bei den gealterten Zellen nicht schlechter als bei neuen Zellen, eher sogar ein bisschen besser. Also in der Praxis sieht das ganz stark danach aus. Aber so einen theoretischen Beweis… Man kann zwar so Tendenzen sagen und kann sagen: „Ja, das müsste irgendwie zusammenlaufen.“ Aber so einen allgemeinen Beweis haben wir noch nicht, aber das wäre vielleicht so ein bisschen ein Ziel. Und das zweite Thema in dieser Gruppe, was da ganz wichtig ist, ist die Verbindungstechnik. Man kann schweißen, löten, schrauben, klemmen… |
| [03:02:19] | Also Kontakt auf Zelle oder…? |
| [03:02:21] | Ja, genau. Wie verbindet man Zelle zu Zelle? |
| [03:02:25] | Da hat der René auch mal erwähnt, dass durch Vibrationen und so, gerade im Fahrzeug, dass das alles immer irgendwann kaputt geht und wirklich ein Problem ist. |
| [03:02:33] | Ja, ja, natürlich. Jetzt hat man einen Tesla mit 8000 Zellen. Jede Zelle hat zwei Anschlüsse, das heißt, da muss es 16.000 Verbindungen geben. Das Gute ist bei dieser hohen Parallelschaltung: Wenn eine Verbindung aufbricht, 80 parallel, fehlt 1/80, das sind irgendwie 1,2 %. Das ist nicht wirklich schlimm. Aber es ist natürlich ein Thema, ja. Bei einem Fahrzeug, wo ich bloß große Zellen in Serie geschaltet habe, wenn mir da ein Kontakt aufbricht, dann war’s das. Und da haben wir uns eben auch mit beschäftigt: Wie kann man diese Kontaktwiderstände sauber messen von verschiedenen Verbindungen? Wir haben das einem Maschinenbau-Lehrstuhl zusammen gemacht, die Lagerschweißen können zum Beispiel, die Zugfestigkeit messen können, sprich: Das ist ein schönes Thema interdisziplinär mit den Maschinenbauern und den Elektrotechnikern. Und stellen uns auch genau die Frage mit dem Vibrieren. Also wir haben auch gesehen, wenn man so Zellen unter Vibrationsbedingungen hat, dann kann man auch in Zellen Schäden verursachen oder bei einigen Zellen Schäden verursachen, weil es da bewegliche Teile gibt. Und wenn man da gewisse Frequenzen wohl hat und gewisse Stärken und dann werden in den Zellen zum Beispiel Sicherheitselemente beschädigt und die Zelle schaltet nicht mehr ab im Fehlerfall. |
| [03:04:04] | Schlecht. |
| [03:04:05] | Aber das ist schon eine sehr spezielle Konstellation. Da haben wir schon außerhalb jeglicher Norm vibriert. War auch jetzt eine Zelle, die wir da hatten und das ist nicht unbedingt reproduzierbar mit anderen Zellen, aber da gibt es eben Effekte, die sind sehr spannend. Und mit den Sachen setzen wir uns da auseinander. |
| [03:04:27] | Allerletzte Frage, auch im Zusammenhang mit einem anderen Podcast: Methodisch inkorrekt. Die haben mal ein Experiment der Woche gemacht, da ging es darum, dass man eine leere und eine volle Batterie aus einer bestimmten Höhe fallen lässt und die leere oder die volle, ich habe vergessen welche, springt höher. |
| [03:04:47] | Ja. |
| [03:04:48] | Warum? |
| [03:04:51] | Das kann man im Internet… Das ist nicht von denen erfunden. |
| [03:04:54] | Nee, nee, das weiß ich schon. Aber die haben das halt als Experiment gemacht. |
| [03:04:56] | Ja, ja, genau. Und zwar geht das nur mit den Primärbatterien, denn diese Primärbatterien, die haben – also diese Alkali-Mangan-Batterien – die haben auf der negativen Elektrode Zink und an der positiven Elektrode Braunstein, also Manganoxid. Und diese Materialien, die lösen sich auf und gehen zum Teil in den Elektrolyten. Und dadurch ändert sich die Viskosität des Elektrolyten. Und das ist genau das. Wenn die da unten aufschlägt, dann passiert da irgendeine Bewegung in dem Elektrolyten. Und einmal kann der Energie aufnehmen, dann springt sie eben nicht mehr so hoch und zum anderen Mal haben wir eben einen voll elastischen Stoß und dann geht das wieder zurück. Und das ist aber nur bei Primärbatterien so, wo das dann tatsächlich etwas verändert an meiner flüssigen Komponente. Bei einer Lithium-Ionen-Batterie kann man das nicht messen. Also nicht jetzt Lithium-Ionen-Batterien runterschmeißen, da wird es keinen Unterschied geben, denn an meinem Elektrolyten ändert sich da überhaupt nichts, sondern nur an den Festkörpern ändert sich was. Und das wird man durch das Stoßverhalten nicht messen können. |
| [03:06:17] | Alles klar. Ja, gibt es noch irgendwas, was du noch sagen möchtest? So jetzt Wort zum Sonntag oder irgendwas, keine Ahnung. Es ist Dienstag, blöder Witz, aber… |
| [03:06:28] | Also ich… Vielleicht nochmal so eine interessante Beobachtung, die jetzt so ein bisschen in Richtung Energietechnik geht. Und an der Uni arbeitet man ja viel mit jungen Leuten zusammen, die dann, wenn sie fertig sind, die jungen Ingenieure sind, die unsere großen Probleme und Aufgaben bearbeiten wollen und werden. Wenn man so ein Jahrzehnt zurück geht, dann gab es eben einen Hype mit Kommunikationstechnik. Und sehr viele der Studenten in der Elektrotechnik oder ein großer Teil der Studenten hat sich mit Kommunikationstechnik sehr intensiv auseinander gesetzt und das so vom Schwerpunkt gemacht. Und in der Energietechnik, das ist natürlich jetzt nicht mehr Energiespeicher, das sind Netze, das sind hochspannungselektrische Maschinen… |
| [03:07:18] | Stimmt, das war so ein bisschen Oldschool, ne? |
| [03:07:19] | Das war Oldschool, das waren vielleicht 10 % und wenn man so in die Labore ging, da waren irgendwelche solche schwarzen Messgeräte, die vor 100 Jahren schon so aussahen und irgendwelche Kupferschienen. Und es ist auch dann so, dass, wenn man sich mit Motoren da beschäftigt hat, dann war das nicht irgendwie so ein schnell drehender kleiner Motor, sondern das war so ein richtiger Kawenzmann, vor dem man einfach Riesenrespekt hatte und sich nicht traute, sich damit zu beschäftigen, weil es alles genau vorgegeben war. Und wenn man da was falsch gemacht hat, dann war das eine kleine Katastrophe. Die Energietechnik hat sich da, glaube ich, ein bisschen gewandelt a) und b) haben eben die Studenten in den letzten Jahren angefangen mit Elektromobilität, die eben so 2005 bis 2010 ein bisschen Hype wurde. Dann die Energiewende, die da kurz darauf kam, immer mehr für energietechnische Themen interessiert. Und wir haben zwischenzeitlich in den Vorlesungen sehr viele Studenten. Und man kann sagen, ich kenne jetzt nicht genau die Prozentzahlen, aber von den 10 % sind wir weit weg. Es sind irgendwo zwischen 30 und fast 50 %, die sich intensiv mit Fragen der Energietechnik auseinander setzen und die das zumindest irgendwo mal in Erwägung ziehen, sich da beruflich mit zu beschäftigen. Ich glaube, die Erneuerbaren ist ja auch noch so ein Thema, was wir hatten, vor der Energiewende schon. Das sind halt, glaube ich, auch langanhaltende Themen. Es sind Themen, wenn man mit den Studenten spricht, wo man dann immer wieder zu hören bekommt: „Ja, in dem Themenbereich, da kann ich irgendwas Gutes tun.“ Und das ist ein Zukunftsthema und damit kann man offenbar so ein paar langfristige Probleme lösen. Und das ist, finde ich, natürlich sehr angenehm. Und da gehören natürlich auch die Energiespeicher dazu, obwohl sie ja eigentlich im stationären Bereich bloß die Probleme anderer Systeme, nämlich dass die Sonne nicht immer scheint, versuchen so ein bisschen mit zu lösen. Vollständig können sie das nicht. Und das ist aber für uns erst mal ganz toll, weil es gibt viele Studenten, die sich für diese Themen interessieren. Und wir versuchen dann, die Energietechnik auch so ein bisschen anfassbar zu machen. Also wir nehmen bei unseren Praktikumsversuchen ganz bewusst nicht die große respekteinflößende Autobatterie, wo 400 V dran liegt und Ströme von 200 A fließen und jeder ehrfürchtig davor steht und denkt: „Wenn ich jetzt einen Fehler mache, dann bummst es.“ Sondern wir nehmen eben Laptopzellen und sagen zu den Leuten: „Mit denen messt ihr mal und wenn ihr da was falsch macht, dann ist sie halt hin, die Zelle, aber die ist intrinsisch einigermaßen sicher.“ Und denen eben diese Charakteristik da nahezulegen und denen die Scheu zu nehmen vor dieser Energie. Wir gehen aber mit den Studenten im Praktikum auch zum TÜV. Es gibt den TÜV Süd Battery Testing hier, die haben einen Bunker. Und da machen die mit den gleichen Zellen Sicherheitstests. Und dann wird da einmal ein Nagel durchgedrückt und dann sehen die mal, wie so eine kleine Zelle durchgehen kann und dass da halt auch so ein Meter Flamme rauskommen kann, damit man eben den notwendigen Respekt davor hat und nicht leichtfertig damit umgeht. Also versuchen wir die da hinzuführen, aber eben auch mit dem notwendigen Respekt. |
| [03:10:56] | Ja, dann bedanke ich mich ganz furchtbar herzlich – mein Standardspruch, furchtbar herzlich – für die drei Stunden, die du dir jetzt Zeit genommen hast. |
| [03:11:05] | Doch relativ lang geworden. |
| [03:11:07] | Ja, es war zu befürchten. |
| [03:11:10] | Ja, ja, man könnte noch über andere Themen reden, wie zum Beispiel: Was passiert mit einer Zellfertigung in Europa oder Deutschland? Brauchen wir die? Wird die kommen? Wer würde die machen? Ganz großes Thema… |
| [03:11:21] | Es gab doch mal irgendwie den Versuch von, ich glaube, Bosch oder irgendjemand anderem, da was aufzusetzen. Das haben sie dann wohl wieder eingestellt, oder… Da war doch mal irgendwas. |
| [03:11:27] | Ja, ja, genau. Also Bosch hatte ja mal ein Joint Venture mit Samsung, das hieß SB LiMotive, Samsung Bosch Motive, Lithium Motive. Und da war ja die ursprüngliche… Da sieht man schon die Problematik. Ursprüngliche Idee war: Zelltechnologie kommt von Samsung… |
| [03:11:48] | …und das Engineering-System von Bosch. |
| [03:11:49] | …und das Engineering-System kommt von Bosch. Das war so zu der Zeit, als BMW seinen i3 entwickelt hat. Und BMW hat ja SB LiMotive Zellen drin, aber die haben sich eben dann gesagt: „Dieses Pack zu entwickeln, das machen wir selber. Da brauchen wir keinen Zulieferer.“ Und haben nur die Zellen davon. Und dieses Joint Venture ist ja dann wieder geschieden worden. Da gibt es verschiedene Gründe, aber ich denke, dass eben ein Grund der ist, dass sich ein Samsung eben auch gesagt hat, das Engineering, offenbar werden die Zulieferer da bei den interessanten Projekten übergangen. Das machen die Automobilhersteller selber. Das hatte ja dann ein Daimler eine deutsche Akkumotive gegründet, die Packs baut. BMW hat sich dazu entschlossen, Packs selber zu bauen und so weiter. Da sieht man schon diese Problematik. Und Bosch hatte dann auch versucht, Zellen selber zu bauen für maritime Anwendungen, um sich zu differenzieren. Das hat sicher auch nicht positiv zum Joint Venture beigetragen. Und jetzt stehen wir seit zwei, drei Jahren immer wieder vor der Diskussion: Wird es gelingen, hier in Deutschland eine Zellproduktion zu bauen, um eben unabhängig zu sein von den Asiaten, besonders von den Koreanern? Es wurde vom Bundesministerium für Forschung in Ulm eine Pilotanlage am ZSW hingestellt, die ein Budget von – ich kenne jetzt nicht die genauen Zahlen – also in Summe etwa 50 Millionen Euro hatte, um da seriennahe Produktion zu haben. Es gibt an der TUM eine Pilotfertigung, wo man kleinere Zellen machen kann. Es gibt am KIT eine Pilotfertigung. Es gibt in Dresden eine Pilotfertigung. Es gibt viele Pilotfertigungen, wo man so die Prozesse lernt und macht, weil mechanische Prozesse ist ja eigentlich für unseren deutschen Maschinenbau fantastisch. Also wir könnten Zellen bauen, wenn wir wollten. Uns fehlt ein bisschen die Erfahrung mit der Elektrochemie da drin. Aber da gibt es auch verschiedene Untersuchungen, die sagen: Man müsste mindestens eine Milliarde Euro in die Hand nehmen, um eine halbwegs konkurrenzfähige Zellfertigung zu machen. Zwischenzeitlich ist die Summe auch nochmal ein bisschen gestiegen. Und wer macht das? Ja, das war mal dann da so die Firma Bosch ein bisschen, dann hieß es mal: Ja, es könnte ein Joint Venture geben. |
| [03:14:34] | Siemens ist doch auch immer bei sowas da mit dabei. |
| [03:14:35] | Siemens nicht, Siemens wollte nie Zellen bauen. Und dann gibt es ja diese Varta in Deutschland, die hat mal da so… war da mal aktiv. Die könnten das auch. Die haben ein Joint Venture mit Volkswagen, wo sie große Zellen entwickeln, aber nicht in die Produktion investieren werden wahrscheinlich. Dann gab es plötzlich wieder ein Bosch, der eben diese Solid-State-Technologie in Amerika eingekauft hat und momentan da wieder aktiv ist, eine Zellproduktion zu machen. Und jetzt haben wir ja vor ein paar Wochen oder Tagen von Volkswagen so ein Statement gehört, dass die Batterietechnologie – der Herr Müller hatte das ja da gesagt – eine der Kernkompetenzen von Volkswagen werden soll. Und da kann man indirekt auch rauslesen, dass die sich zumindest ernsthaft die Frage stellen: „Machen wir eine Zellproduktion oder machen wir das nicht?“ Also es ist nach wie vor ein heißes Thema. Es ist so das große Problem, das Henne-Ei-Problem. Man muss ganz viel Geld in die Hand nehmen, so eine Gigafactory eigentlich bauen, um da überhaupt mal konkurrenzfähig zu sein. Und dann braucht man auch die Abnahme. Der Tesla hat’s gut, der hat mal vorgelegt und gesagt, das kann man erzeugen. Die Deutschen tun sich da ein bisschen schwer. |
| [03:16:00] | Ich wundere mich bei sowas immer. Ich meine, wie gesagt, wir schweifen wieder ins Politische ab, aber der Staat subventioniert ja alles Mögliche und gibt für alles Mögliche Geld aus. Und bei solchen Zukunftstechnologien – Glasfaserverkabelung ist ein anderes Beispiel – da tut man sich unglaublich schwer. Und so ganz geht mir das nicht in den Kopf. Ich meine, die Energiewende hat man ja auch beschlossen. Da hat man ja irgendwie den Mumm gehabt, zu sagen: „Wir schalten die ganzen Atomreaktoren ab und wirklich, wir gehen jetzt in die Richtung.“ Das ist schon irgendwie… |
| [03:16:27] | Ja, ja, ich meine, die Bundesregierung, die hat das schon stark unterstützt. Und seit 2005 ist sehr viel Geld in die Batterieforschung geflossen. Da gibt es verschiedene Zahlen, je nachdem, von wann bis wann man da zählt und ob die Industrieteile dabei sind. Da geht es also um 500 Millionen bis eine Milliarde Euro, die in die Batterieforschung geflossen sind. Es sind riesige Zentren in Münster entstanden, in Aachen, in Ulm. Auch wir hier in München haben natürlich davon profitiert und haben insgesamt, wenn man alle nimmt, die sich mit Batteriethemen beschäftigen, weit über 100 Forscher oder Doktoranden, die sich damit auseinander setzen, die eben durch solche Projekte finanziert werden. Und es gab Verhandlungen, Diskussionen mit der Bundeskanzlerin zusammen, wo die Vorstände der großen Automobilhersteller eben mit dabei waren – velleicht war es ein bisschen zu früh – wo die dann eben sagten: „Nee, also wenn wir das da in Asien billiger kriegen…“ |
| [03:17:35] | Das war vor der Einsicht, über die wir vorhin geredet haben. |
| [03:17:37] | Ja, und momentan scheint da so ein bisschen ein Wandel zu kommen. Es gibt ja von der Bundesregierung eine nationale Plattform Elektromobilität, die NPE, in der eben diese Industrievertreter drin sind. Und das Ziel dieser NPE ist: Was müssen wir denn tun, um die eine Million versprochenen Fahrzeuge 2020 zu haben? Also da gibt es schon Interesse und Bemühungen, das zu machen. Aber die Bundesregierung will das jetzt halt auch nicht einfach subventionieren, sondern die sagt sich, eigentlich sind die eine Milliarde für die Fahrzeughersteller kein Geld. Das müssten die können. Und die müssen das von sich aus wollen. |
| [03:18:25] | Und das Geld braucht man ja, um die Energiekonzerne bei der Atomkraftwerk-Abschaltung zu subventionieren. Also ich bin ein bisschen polemisch, weil mich da so ein paar Sachen halt schon wundern. |
| [03:18:35] | Okay, aber letztendlich, die Automobilindustrie ist sehr stark bei uns. |
| [03:18:38] | Sie könnten das sicher. |
| [03:18:39] | Die hätten das Geld. Und wenn diese Technologie wirklich kommt, dann wäre das auch fantastisch investiertes Geld, weil man dann einen größeren Teil der Wertschöpfungskette halten könnte. Und das wäre einfach unheimlich wichtig, aber das ist genauso wichtig für den Staat, weil das Arbeitsplätze und Wirtschaftskraft ist. Und die Automobilindustrie, die glaubt da halt noch nicht so richtig dran. Also die hat so in den letzten Jahren so ein bisschen lieblos da mitgemacht, damit man halt dabei ist. Und jetzt wird es dann zunehmend ernst und jetzt wird aus lieblos vielleicht dann doch noch ein bisschen Euphorie. Und schauen wir mal, was passiert. |
| [03:19:24] | Schönes Schlusswort. Vielen Dank! |
| [03:19:27] | Reden wir wieder in drei Jahren? |
| [03:19:30] | Du, kein Problem. |
| [03:19:31] | Und gucken wir, ob es da dann deutlich eine Weiterentwicklung gab. Okay. |
| [03:19:39] | Alles klar, danke schön! |
| [03:19:41] | Danke fürs Kommen! |
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