Elektromobilität: Wann geht Laden so schnell wie Tanken?

Elektroautos erobern das Land: Von Januar bis Juli 2021 sind in Deutschland laut einer Meldung des Kraftfahrt-Bundesamts 367.905 Elektrofahrzeuge zugelassen worden. Das ist nicht nur eine in sich schon hohe Zahl, der Marktanteil der zugelassenen Elektroautos überstieg in diesem Zeitraum mit knapp 22,6 Prozent auch erstmals den der neuzugelassenen Dieselfahrzeuge (22,2 Prozent). Die Gründe für die Kaufentscheidung sind, wie zu erwarten, vorrangig ökologische – in Zeiten von steigenden Kraftstoffpreisen und CO₂-Steuer spielen aber auch immer öfter die Betriebskosten eine Rolle.

Es gibt aber auch Aspekte, die dafür sorgen, dass potenzielle Käufer um Elektroautos einen Bogen machen. Ganz besonders ausschlaggebend ist dabei das Argument der langen Ladezeit. Autofahrer sind es gewohnt, ihren Wagen an der Zapfsäule in unter fünf Minuten vollzutanken. Um aber ein Elektroauto zu 80 Prozent aufzuladen – die Grenze, ab der die Ladegeschwindigkeit automatisch gedrosselt wird, um Schäden am Akku zu vermeiden – muss man, je nach Größe und Beschaffenheit des Akkus, selbst an den schnellsten Ladestationen mit einer durchschnittlichen Wartezeit von 30 Minuten rechnen.

Doch es besteht Hoffnung: In den nächsten fünf bis zehn Jahren soll es gelingen, den Ladevorgang deutlich zu beschleunigen. Um das zu erreichen wird sowohl an der Entwicklung neuer Lithium-Ionen- als auch an der von Festkörper-Akkus gearbeitet, die bei höherer Stabilität auch schneller – potenziell in unter 20 Minuten – geladen werden können.

Außerdem haben Wissenschaftler den Prototyp eines Lithium-Akkus entwickelt, der sich, zumindest unter Laborbedingungen, in unter drei Minuten zur Hälfte aufladen lässt – und das tausende Male ohne erkennbaren Verschleiß. Er könnte der erste marktreife Akku werden, der in unter zehn Minuten vollständig geladen ist.

Doch bei all den guten Nachrichten wird der Weg zum ultraschnell ladenden Elektrofahrzeug-Akku, der sowohl technologisch realisierbar als auch bezahlbar ist, für Wissenschaft und Technik nicht ohne Hindernisse sein. Experten stellen schon jetzt die Frage, ob es in Hinblick auf die Stromnetze wirklich klug und richtig ist, so viel Energie auf die Entwicklung von schneller ladenden Akkus zu verwenden.

Warum explodieren Lithium-Ionen-Zellen?

Die Akkus, die heutzutage in Elektroautos verbaut werden, bestehen aus tausenden Lithium-Ionen-Zellen, die tausende Male aufgeladen werden und die geladene Energie speichern können. Jede dieser Zellen besteht aus zwei Elektroden – einer Kathode aus Metall und einer Graphitanode – die durch flüssige Elektrolyte voneinander getrennt sind. Während der Akku lädt, fließen Lithiumionen von der Kathode zur Anode durch die Flüssigkeit. Sie stapeln sich in dem Raum zwischen den Graphitschichten der Anode wie die Holzblöcke eines Jenga-Turms.

Die Geschwindigkeit, mit der die Lithiumionen sich von der Kathode zur Anode bewegen, bestimmt, wie schnell der Akku lädt. Doch ein zu hastiges Aufeinanderstapeln von Jenga-Blöcken führt zu einer instabilen Struktur. Ähnliche Probleme entstehen, wenn das Lithium sich zu schnell in der Anode aufbaut.

Galerie: Ausgeflogen, zugezogen 

Bei einer extrem hohen Ladegeschwindigkeit besteht die Gefahr, dass Lithium-Akkus überhitzen und dadurch mit der Zeit Schaden nehmen. Noch gravierender ist es aber, wenn das Lithium sich beim schnellen Laden nicht im Inneren, sondern auf der Oberfläche der Anode aufbaut. Dieser fehlerhafte Vorgang wird als Lithium-Plating bezeichnet, welches die Kapazität des Akkus drastisch verringert. Außerdem entstehen Lithium-Ablagerungen in Form von strauchartigen Kristallstrukturen, sogenannten Dendriten. Ist dieser Prozess erst einmal in Gang gesetzt, können die Strukturen durch die Elektrolyte hindurchwachsen, bis sie die Kathode erreichen. Es kommt zu einem Kurzschluss, der den Akku in Brand setzt oder sogar explodieren lässt.

„Das ist offensichtlich ein Sicherheitsrisiko“, sagt Peter Slater, Professor für Materialchemie an der University of Birmingham in England.

Aufgrund dieser möglichen Gefahren beim Schnellladen verfügen alle in Elektroautos verbauten Akkus über eine Ladegeschwindigkeitsbegrenzung, die am Charge Port des Wagens eingestellt ist. Die Höchstleistung der in Deutschland verfügbaren Ladesäulen liegt derzeit bei 350 Kilowatt. An einer solchen Säule wäre beispielsweise der Fahrer eines Audi e-tron SUVs theoretisch in der Lage, den 95 kWh-Akku seines Fahrzeugs in ungefähr 16 Minuten vollständig zu laden. Doch der Akku kann aus Sicherheitsgründen höchstens 150 Kilowatt Energie umsetzen, sodass die tatsächliche Ladedauer bei circa 40 Minuten liegt.

Der Akku der Zukunft

Wie schnell genau ein Akku im alltäglichen Gebrauch aufgeladen wird, bestimmen nicht nur die Ladesäule und die Drosselung der Energieaufnahme des Akkus. Viele andere Faktoren haben ebenso einen Einfluss: die Größe der Batterie, wie voll oder leer der Akku zum Zeitpunkt des Ladens ist – und sogar das Wetter. An den modernsten Ladesäulen kann ein Akku im Schnitt innerhalb von einer halben Stunde zu 80 Prozent aufgeladen werden – das Äquivalent einer Reichweite von mehreren hundert Kilometern. Besitzern von Tesla-Fahrzeugen stehen sogar Super-Ladestationen zur Verfügung, die den Wagen in 15 Minuten soweit aufladen, dass eine zusätzliche Reichweite von über 320 Kilometern möglich wird.

Das ist ein guter Wert, aber in Hinblick auf die investierte Zeit noch immer keine Konkurrenz zu den wenigen Minuten, in denen sich ein Auto mit Verbrennungsmotor volltanken lässt. Wer solche Spitzenzeiten auch von einem Elektroauto erwartet, wird zwangsläufig die nächste Akku-Generation abwarten müssen.

Eine Idee, der bei der Entwicklung nachgegangen wird, ist der Einsatz alternativer Anoden-Materialien, die einen schnelleren und gleichzeitig sichereren Ladevorgang ermöglichen sollen. Das britische Start-Up Echion Technologies hat beispielsweise eine Niob-Anode entwickelt, die Lithium-Plating und Dendrit-Entstehung hemmt. Akkus, in denen dieses Material verbaut ist, können laut Jean De La Verpilliere, Geschäftsführer von Echion, „so schnell geladen werden, wie man will“. Der Prototyp von Echions Akkuzelle sei innerhalb von sechs Minuten aufgeladen, und das „ohne negative Folgen für die Sicherheit oder die Lebensdauer“.

Doch für die verbesserte Ladegeschwindigkeit müssen an anderer Stelle Abstriche gemacht werden: Niob-Anoden speichern pro Masseneinheit weniger Energie als konventionelle Graphitanoden, was eine geringere Reichweite zum Ergebnis hat. Hersteller von Elektroautos priorisieren jedoch energiedichte Akkus, die seltener geladen werden müssen und eine große Reichweite bieten – wie schnell der Akku lädt, muss sich diesen Aspekten unterordnen. Aus diesem Grund kommen Echion-Akkus auf anderen Gebieten zum Einsatz, etwa in Energiespeichern und Elektrowerkzeugen.

Für den privaten Autofahrer, der sich eine schnellere Ladeleistung wünscht, könnten die derzeit aufkommenden Festkörper-Akkus eine vielversprechende Alternative sein. In ihnen fließen die Lithiumionen nicht durch flüssige, sondern durch feste Elektrolyte – oft durch Keramik. Feste Elektrolyte sind im Gegensatz zu flüssigen nicht entflammbar, was das Sicherheitsrisiko eklatant senkt. Außerdem erlauben sie Materialien für die Anode zu wählen, die weniger zum Lithium-Plating neigen und darum schneller geladen werden können.

Solid Power, eine Firma, die mit finanzieller Unterstützung der BMW Group und Ford Festkörper-Akkus entwickelt, arbeitet an einer Silikonanoden-Akkuzelle. Laut Joshua Buettner-Garrett, Technischer Direktor von Solid Power, kann diese innerhalb von 15 Minuten zur Hälfte geladen werden. Für die später in Elektroautos verbaute Version strebe man für eine vollständige Ladung eine Ladezeit von 20 Minuten an. Zusätzlich arbeite man an Akkus mit Lithium-Metall-Anoden, die bis zu zehnmal mehr Energie pro Masseneinheit speichern könnten als Graphitanoden.

In der Theorie sollte der Festkörper-Akku durch die Lithium-Metall-Anoden eine besonders kurze Ladezeit haben. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass die Anfälligkeit für Dendrite extrem hoch ist. Ausfälle sind keine Seltenheit, insbesondere bei hoher Ladegeschwindigkeit. Schnellladende Lithium-Metall-Akkus seien so etwas wie der Heilige Gral der Hochleistungs-Akkus in Elektroautos, doch „wir stecken noch mitten in der Entwicklung“, so Joshua Buettner-Garrett.

Aktuelle Forschungsergebnisse stellen jedoch in Aussicht, dass der Super-Akku bald kommen könnte. Ein Team unter der Leitung von Xin Li, Materialwissenschaftler an der Harvard University in Massachusetts, hat vor Kurzem eine Festkörper-Lithium-Metall-Akkuzelle entworfen, in deren Elektrode mehrere Schichten unterschiedlicher Materialien zum Einsatz kommen, die die Entstehung von Dendriten stoppen sollen. In ihrer in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlichten Studie beschreiben die Wissenschaftler den Prototyp ihres Akkus: Er kann innerhalb von drei Minuten vollständig geladen werden und verfügt auch nach 10.000 Lade- und Entladevorgängen noch über 80 Prozent seiner Kapazität – gängige Elektroauto-Akkus erreichen diesen Verschleißgrad bereits nach 1.000 bis 2.000 Lade- und Entladevorgängen.

Die Forschung steht in diesem Bereich aber weiterhin am Anfang. Das Team muss nun zeigen, dass ihr Akku, dessen Prototyp die Größe einer Münze hat, in einer größeren Version für den Einsatz in Fahrzeugen sowie für die Massenproduktion geeignet ist. Xin Li geht davon aus, dass eine kommerzielle Version des Akkus in ungefähr fünf Jahren marktreif sein wird, „wenn nichts dazwischenkommt“.

Schnelles Laden hat Grenzen

Selbst wenn die Akkus von Elektrofahrzeugen in unter zehn Minuten aufgeladen werden könnten, ist nicht geklärt, ob sich dieses Potential im Alltag überhaupt ausschöpfen ließe. Mit einer Spannung von 400 Volt oder mehr ziehen die heutigen Schnellladesäulen schon jetzt viel mehr Strom aus dem Netz als die 230 Volt-Anschlüsse, die in Privathaushalten zu finden sind. Würde jeder ein Elektroauto fahren und dieses extrem schnell laden wollen, könnte das das Stromnetz an seine Grenzen bringen.

„Die Kapazität des Stromnetzes ist ein Aspekt, den wir auf keinen Fall vernachlässigen dürfen“, sagt Xin Li. „Es ist wichtig zu wissen, welche Nachfrage bedient werden kann, ohne dass das System zusammenbricht.“

„Es gilt, den Strombedarf an den Ladesäulen mit den Bedürfnissen der Allgemeinheit ins Gleichgewicht zu bringen – und dabei auch Komfort und Preis in Balance zu halten“, sagt Joshua Buettner-Garrett. Ihm zufolge haben die Hersteller von Elektrofahrzeugen das bereits erkannt. Das Ziel sei, Mitte der 2020er Jahre Ladezeiten von 20 bis 30 Minuten für Elektroautos verfügbar zu machen.

Jenny Baker, Akkuspeicher-Expertin an der Swansea University in Wales, bezweifelt, dass schnell ladende Akkus der richtige Weg sind. Sein Elektroauto über Nacht – wenn der Stromverbrauch ohnehin niedrig ist – langsam zu Hause aufzuladen wäre kostengünstiger und auch umweltfreundlicher, sagt sie. Für viele Besitzer von Elektrofahrzeugen, sie selbst eingeschlossen, sei dieses Vorgehen außerdem viel praktischer als tagsüber an einer Ladesäule halten zu müssen.

„Wenn man die Möglichkeit dazu hat, ist es für die Umwelt auf jeden Fall das Beste, das Auto zu Hause zu laden“, sagt sie. „Wenn sich Elektroautos in dieser Hinsicht so entwickeln wie Verbrenner, würde mich das sehr enttäuschen. Sie haben so viel mehr Potential.“

Dieser Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.