Was das Fraunhofer ISE getestet hat
Die Zelle ist eine Pouchzelle im 25-Ah-Format, gefertigt auf einer Pilotlinie im Industriemaßstab und nicht von Hand zusammengesetzt. Ihre Anode ist ein Silizium-Kohlenstoff-Komposit, das 51 Prozent des Aktivmaterials ausmacht, kombiniert mit einer nickelreichen Kathode. Die Arbeit gehört zum Projekt StrOboBatt am Institut in Freiburg.
Nach 1.000 Vollzyklen behielt die Zelle 83 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Das Fraunhofer ISE merkt an, dass 1.000 Zyklen mit mindestens 80 Prozent Erhaltung die übliche Schwelle sind, bevor eine Zelle als kommerziell nutzbar gilt. Die gemessene gravimetrische Energiedichte lag bei 280 Wh/kg, projiziert sind 330 Wh/kg für eine optimierte Serienfertigung.
Das Ausdehnungsproblem von Silizium
Graphit, das Standardmaterial für Anoden, dehnt sich beim Einlagern von Lithium um etwa 10 bis 12 Prozent aus. Silizium dehnt sich um bis zu 300 Prozent aus und schrumpft beim Entladen wieder zusammen. Diese Bewegung unterbricht den elektrischen Kontakt innerhalb der Elektrode und beschleunigt die Zersetzung des Elektrolyten, sodass die Zelle schneller Kapazität verliert als eine Graphitzelle.
Der Kompositansatz begrenzt den Schaden. Beseitigen kann er ihn nicht.
Zehn bar Druck
Die Forschenden betrieben die Zellen mit 1.000 kPa axialem Druck, also etwa 10 bar. Bei 300 kPa, rund 3 bar, sank die nutzbare Kapazität deutlich schneller. Der äußere mechanische Druck erwies sich als ebenso wichtig wie die Materialrezeptur.
Zehn bar klingen in Kraftbegriffen bescheiden – bis man sie hochskaliert. 1.000 Kilopascal sind 1.000 kN pro Quadratmeter, auf 100 cm² Elektrodenfläche lasten also rund 10 kN, etwa das Gewicht einer Tonne. Ein Prüfstand kann das leisten. Ein Fahrzeugakku muss es über die gesamte Zellfläche ein Jahrzehnt lang leisten, bei Hitze und Kälte, ohne dass ein schwerer Druckrahmen hinzukommt.
Reichweite bei gleichem Gewicht
Bei 330 Wh/kg würden 100 kWh Zellen etwa 303 kg wiegen. Dieselbe Kapazität bei 280 Wh/kg wiegt 357 kg. Ein Pack kommt mit Modulen, Kühlplatten und Gehäuse obendrauf, der Gewinn auf Fahrzeugebene ist also kleiner als auf Zellebene – die Richtung ist aber klar.
Die praktische Variante: Ein Mittelklassewagen, der heute 75 kWh trägt, könnte bei gleichem Batteriegewicht fast 100 kWh tragen. Bei 17 kWh/100 km – einem Verbrauch, der bereits über dem WLTP-Wert der meisten Mittelklasse-E-Autos liegt – ergeben 100 kWh rund 590 km. Die Reichweite im Alltag wird geringer sein, besonders im Winter. Konkrete Modelle prüfen Sie mit unserem Reichweitenrechner für E-Autos, oder Sie vergleichen offizielle Angaben mit der von Bjørn Nyland gemessenen Realreichweite.
Kilometer pro tausend Zyklen
Ein Vollzyklus dieses 100-kWh-Akkus deckt etwa 590 km ab, 1.000 Zyklen ergeben also rund 590.000 km bis zur 83-Prozent-Marke. Eine typische Batteriegarantie deckt acht Jahre oder 160.000 km bei 70 Prozent Restkapazität ab.
Eine Zyklenzahl aus dem Labor ist keine Garantie. Das Fraunhofer ISE testete auch unter dynamischen Bedingungen und stellte fest, dass die Kapazität bei hoher Leistung schneller sinkt als in sanften Zyklen. Das ist ein Hinweis für das Batteriemanagementsystem, das den Effekt berücksichtigen muss – und nichts, was Fahrende auf einer einzelnen Fahrt bemerken würden. Hochleistungsladen ist heute Standardausstattung: Electrify Americas Standort mit 24 Ladepunkten und 350 kW bei Orlando ist ein Beispiel dafür, wo Zellen wie diese ihr Leben verbringen würden.
Kosten pro 100 km
Nichts davon ändert etwas am Preis einer Kilowattstunde. Zu Hause kosten 17 kWh pro 100 km bei 0,25 €/kWh 4,25 €. Am Schnelllader kosten dieselben 100 km bei 0,60 €/kWh 10,20 €, ähnlich wie ein Benziner mit 6,5 l/100 km und 1,45 €/l, also 9,43 €. Unsere Datenbank erfasst 483 Ladestandorte in Europa und listet die günstigsten nach Preis pro kWh. Für Ihre eigenen Zahlen rechnet der Ladekostenrechner.
Haushalte ohne eigene Einfahrt zahlen häufiger den Schnellladerpreis. England hat aus genau diesem Grund seine Planungsregeln geändert und erlaubt Kabel über den Gehweg – das spart Haushalten bis zu 300 £.
Die Siliziumzelle macht ein Pack leichter oder ein Auto reichweitenstärker. Billiger wird der Strom dadurch nicht, und wer zwischen einer 75-kWh- und einer 100-kWh-Version wählt, zahlt die zusätzlichen Zellen weiterhin.
Rohmaterial
Graphit wird überwiegend aus Regionen außerhalb Europas importiert. Silizium lässt sich laut Fraunhofer ISE synthetisch in Europa herstellen, ein höherer Siliziumanteil verschiebt also einen Teil der Wertschöpfungskette näher an die Zellfabrik. Das ist ein industrielles Argument, kein fahrpraktisches.
Was der Test offenlässt
Die Ergebnisse decken die Zyklenlebensdauer bei einem Druckniveau und in einem Zellformat ab. Die Mitteilung des Instituts enthält keine Daten zur kalendarischen Alterung, keine Kosten pro kWh, keine Demonstration auf Packebene und keine Beschreibung, wie 10 bar über die Lebensdauer in einem Fahrzeugakku aufrechterhalten werden sollen. Auf diese Zahlen kommt es an, bevor eine siliziumreiche Anode den Showroom erreicht.