«Das Rennen ist noch offen»

AKKUS Andreas Hintennach entwickelt bei ­Mercedes Batterien für Elektroautos. Er ist überzeugt davon, dass der Lithium-Ionen-Stromspeicher noch über viel Entwicklungspotenzial verfügt.

Seit bald zehn Jahren ist Andreas Hintennach bei Mercedes in der Batterieforschung tätig. Damit ist er praktisch seit Anfang an mit der Entwicklung der Lithium-Ionen-­Akkus für Elektroautos vertraut. Der promovierte Chemiker und Mediziner, der seine Studien an der ETH Zürich und an der Universität Bern absolviert hat, sieht sich und sein Team als Schnittstelle zwischen Vorentwicklung und Entwicklung: «Wir sind verantwortlich für das Wissensmanagement, also dafür, unser Wissen zu teilen und im Unternehmen verfügbar zu machen.» Und bezüglich Weiterentwicklung der Elektromobilität betont er: «Früher habe ich nur auf die Batteriezellen geschaut, heute habe ich das gesamte Auto im Blick. Es geht immer darum, das optimale Gesamtpaket zu schaffen.» In einer Telefonkonferenz berichtete Hintennach vom aktuellen Stand der Batterietechnik, von wesentlichen Weiterentwicklungsrichtungen und von Zeithorizonten. Bei ­einem zweiten, exklusiven Telefoninterview beantwortete er einige Fragen der AR.

Ein Mercedes-Benz ist kein Smartphone, deshalb sind auch die Anforderungen an die Batterien ganz anders.

Zellchemie im Wandel
Obwohl der Aufbau der Batteriezelle immer ähnlich sei, egal ob im Smartphone oder Elektroauto, gebe es abhängig vom geforderten Funktionsumfang der Batterie eine grosse Bandbreite unterschiedlicher chemischer Systeme, hielt Hintennach fest. Er zeigte auf, in welchen Punkten die Autobatterie in den nächsten Jahren noch verbessert werden muss und kann. Bei der Optimierung der Energiedichte beispielsweise rechnet er mit neuen Materialien wie etwa Silizium, das auf der Anodenseite Grafit ersetzen werde. Dadurch werde der Einsatz von Kathodenmaterialien ermöglicht, die sich mit dem heute üblichen Grafit nicht vertragen. Ausserdem ermöglicht Silizium eine Erhöhung der Ladegeschwindigkeit, was im Alltag des Elektroautos von zentraler Bedeutung ist. Kontinuierlich soll dann auch der Kobaltanteil im Aktivmaterial verringert werden. Laut Hintennach konnte dieser Anteil in jüngster Vergangenheit von etwa einem Drittel auf weniger als zwanzig Prozent reduziert werden. Bis 2039 will Mercedes in der Produktion grosse CO2-Einsparungen erreicht haben. Dazu dienen auch die Recyclingprogramme. Ein Markt für Sekundärrohstoffe muss sich jedoch erst aufbauen, da Elektroautos noch nicht lange in grösserer Anzahl in Betrieb sind. «Erst in acht bis zehn Jahren wird es eine nennenswerte Anzahl von Fahrzeugbatterien für das Recycling geben. Dann werden vor allem Kobalt, Nickel, Kupfer und später auch Silizium zurückgeführt», sagte der Mercedes-Fachmann.

Letztlich sei die Elektromobilität nur dann wirklich nachhaltig, wenn die Rohstoffe unter nachhaltigen Bedingungen abgebaut und später rezykliert würden.

Alternativsysteme noch nicht serienreif
Als Alternative zum Lithium-Ionen-Akku sieht Hintennach beispielsweise die Lithium-Schwefel-Batterie. Schwefel sei ein Abfallprodukt der Industrie, das fast nichts koste, sehr rein sei und sich gut rezyklieren lasse, erklärte er. Zwar seien noch grosse Herausforderungen bei der Energiedichte zu bewältigen, doch weise diese Technologie eine unschlagbare Ökobilanz auf. Bis sie allerdings für Personenwagen verfügbar sei, dürfte es noch rund zehn Jahre dauern.

Ganz ohne Lithium könnte es mit der Magnesium-Schwefel-Batterie weitergehen. Magnesium kennt man aus dem Alltag in Form von Kalk. Das Leichtmetall ist quasi beliebig verfügbar. Allerdings befindet sich die Forschung im Moment noch auf Laborniveau.

Automobil Revue: Der Kobaltabbau ist bekanntlich aus mehreren Gründen problematisch. Wird das Material in der Batterie verschwinden?
Andreas Hintennach:Da muss man differenzieren. Wir stellen Autos her und keine Smartphones. In Fahrzeugen wird es verschwinden, in der Unterhaltungselektronik absehbar nicht, weil dort die volumetrische Energiedichte eine noch grössere Rolle spielt. Die Kosten dagegen sind beim Smartphone nicht so wichtig wie im Automobilbau.

Was bringt der Ersatz von Grafit durch Silizium?
Wir haben intensiv daran gearbeitet, die Kathode energiedichter zu machen, sodass nun die Anode zum Bottleneck geworden ist. Das Ganze ist ein korrespondierendes System, bei dem Anode und Kathode ähnlich energiedicht sein müssen. Bei der Anode gehen wir auf Silizium über, weil das neben der Energiedichte auf der Kathodenseite neue Materialien ermöglicht, die eine noch höhere Kapazität erreichen. Dann müssen wir Chemikalien für die Elektrolyten auswählen, die sich gut mit den hochvoltfähigen Kathodenmaterialien vertragen.

Was ist an der Preisfront zu erwarten?
Bis 2024 oder 2025 wird ein Preisniveau erreicht sein, das die Total Cost of Ownership eines elektrisch betriebenen PW vergleichbar macht mit der eines Autos mit Verbrennungsmotor. Das hängt allerdings sehr von den Märkten, dem Strompreis und den Regionen ab.

Einige Hersteller haben angekündigt, schon in Kürze mit der Feststoffbatterie in Serie zu gehen. Wann ist mit ihr rechnen?
Wichtig ist hier das Stichwort serienfähig. Möglich ist es schon heute, eine solche Batterie zu bauen. Serienfähig wird sie jedoch nicht schon Mitte der 20er-Jahre sein, denn es fehlen uns Kernthemen wie Automatisierungs- und Produktionstechnologien, und auch Langzeiterfahrungen gibt es noch nicht. Auch für die Erprobung bei Sommer- und Wintertests werden noch mindestens zwei Jahre benötigt. Ausserdem spielen die Ladebedingungen ­eine wichtige Rolle. Würden wir kein Schnellladen verlangen, ginge es im Schnitt drei bis vier Jahre früher. Wenn aber der Markt weiterhin Schnell­ladefähigkeit verlangt, dauert es länger. Wir rechnen also eher mit Ende der 20er-Jahre.

Wie sieht der Zeithorizont für Lithium-Schwefel- und Lithium-Luft-Systeme aus?
Lithium-Schwefel gibt es in einer ersten Testanwendung bereits. Diese Batterien werden in der zweiten Hälfte der 20er-Jahre kommen. Lithium-Luft-Systeme dagegen sind noch wesentlich weiter entfernt – zehn oder mehr Jahre.

Elektroantrieb ist ja auch mit der Brennstoffzelle möglich. Was halten Sie grundsätzlich von dieser Alternative?
Die Brennstoffzelle ist dort interessant, wo der Diesel auch gut ist: für lange Fahrstrecken und extrem kurze Betankungszeiten. Ausserdem kann man den Wasserstoff stationär speichern und transportieren, ohne die Stromnetze zu belasten. Die Brennstoffzelle selber hat noch einen weiteren Vorteil. Sie ist nur ein Wandler, die Speicherung ist in die Druckgastanks verlegt. Bei der Batterie sind Speicher und Wandler zusammen. Man kann deshalb nicht unabhängig voneinander skalieren. Wenn der Wasserstoff dereinst aus regenerativen Quellen kommt, hat die Brennstoffzelle auch ökologisch keine Nachteile mehr gegenüber dem Batterieantrieb, und in der Lifecycle-Betrachtung ergibt sich mit den Werten von heute sogar ein leichter Vorteil. Ich als Batterieforscher sehe keine Konkurrenz in der Brennstoffzelle, denn in jedem Brennstoffzellenfahrzeug wird auch eine Batterie als Puffer benötigt. Und sie ergänzen sich als Symbiose ideal.

Ein Sportwagenhersteller setzt in seinem neuen Modell auf die Methanol-Brennstoffzelle. Mercedes hat schon 1997 im Necar 3 mit einem Methanol-­Reformer gearbeitet. Welches sind die Nachteile dieses Systems?
Wir kennen das Thema aus der Erfahrung mit Necar 3 und Necar 5 sehr gut. Bei der Zerlegung des Methanols geht der Wasserstoff direkt in die Brennstoffzelle, der Kohlenstoff und der Sauerstoff entweichen als CO2. Die Frage ist daher: Wie kommt man zum Methanol? Mit CO2 aus der Luft und regenerativ hergestelltem Wasserstoff kann man synthetisches Methanol erzeugen, auch biotechnologisch aus Agrarabfällen. Da der Prozess im Reformer relativ langsam ist, braucht man eine grosse Batterie, um ein gutes Ansprechverhalten zu erreichen. Ausserdem ist dieser Antrieb nicht lokal emissionsfrei. Er ist nur CO2-neutral, wenn Methanol nachhaltig hergestellt wird. Im Weiteren müsste die ganze Standardisierungsdiskussion wieder von vorne beginnen. Hochinteressant ist die Methanol-Brennstoffzelle jedoch für stationäre Anwendungen.

Einen Königsweg für die Antriebsform der Zukunft gibt es also noch nicht.
Grundsätzlich ist es mir wichtig, das Thema Technologieoffenheit zu betonen. Wir benötigen noch viele Jahre, um zu sehen, auf welchen Märkten sich welche Technologie durchsetzt. Stand heute sind wir gut beraten, wenn wir alles machen. Das Rennen ist noch offen. 

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