E-Auto: nachhaltige Batterien halten viel länger als die Kilometerleistung eines Elektrofahrzeugs.
20.12.2025
I. Die Entwicklung und Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien
1. Historische Entwicklung und Kennzahlen.
Die erste kommerzielle Lithium-Ionen-Batterie wurde im Jahr 1991 von Sony auf den Markt gebracht. Seit ihrer Einführung hat diese Zellchemie bemerkenswerte Technologiesprünge vollzogen. Im Jahr 2008 lag die volumetrische Energiedichte bei 55 Wattstunden pro Liter. Mittlerweile konnte dieser Wert auf über 450 Wattstunden pro Liter gesteigert werden, was einer mehr als Verachtfachung der Energiedichte entspricht.
Diese stetige Steigerung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichten ist entscheidend, da sie bestimmt, wie viel Energie in einem bestimmten Gerät gespeichert werden kann. Je mehr Energie gespeichert wird, desto länger kann ein Gerät wie ein Handy oder ein Elektroauto betrieben werden.
2. Ökonomische Auswirkungen.
Parallel zur Technologiesprung ist der Preis für die Lithium-Ionen-Batterie seit 1991 um den Faktor 18 gesunken. Dies bedeutet, dass der Preis für die gespeicherte Energiemenge drastisch zurückgegangen ist. Diese Entwicklung hat die Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien für eine Vielzahl von Anwendungen ermöglicht, darunter Akkuschrauber, Rasenmäher, Mobiltelefone und schließlich auch das Automobil. Die magische Schwelle von 100 Dollar pro Kilowattstunde, bei deren Unterschreitung das Elektroauto günstiger wird als der Verbrenner, wird langsam erreicht.
II. Rohstoffe, Kontroversen und Nachhaltigkeit.
1. Aufbau und Materialentwicklung.
Eine Batterie besteht grundsätzlich aus einem Pluspol und einem Minuspol, in denen Materialien das Lithium aufnehmen und speichern können. Der Minuspol wird heutzutage typischerweise aus Graphit, einer Form von Kohlenstoff, hergestellt. Im Pluspol wurde ursprünglich reines Kobaltoxid verwendet.
Schon früh in den 1990er Jahren war klar, dass reines Kobalt für große Batterien ungeeignet ist, da es teuer und giftig ist, nur an politisch instabilen Orten vorkommt und Sicherheitsprobleme verursachen kann. Dies führte zur Entwicklung der sogenannten NMC-Materialien, bestehend aus Nickel, Mangan und Kobalt. Nickel ist ein Bestandteil von Edelstahl (z.B. Essbesteck). Mangan (als Braunstein bekannt) ist ein sehr häufig vorkommendes, günstiges Element. Durch den Einsatz dieser Materialien konnte der Kobaltanteil von anfänglich 100 % auf mittlerweile nur noch 10 % reduziert werden.
2. Die Rolle von Eisenphosphat (LFP).
Große Teile der weltweiten Flotte an Neufahrzeugen, insbesondere aus Asien und bei Tesla in Brandenburg, enthalten mittlerweile 0 % Kobalt und setzen stattdessen auf Eisenphosphat (LFP). Eisenphosphat ist sehr kostengünstig, ungiftig und kann sogar aus Abwasser hergestellt werden. Es wurde lange Zeit in Europa ausgeschlossen, da es eine geringere Speicherkapazität liefert und voluminöser ist, was die Reichweite von Fahrzeugen beeinträchtigte.
Chinesische Hersteller haben dieses Problem gelöst, indem sie die gesamte Batterie umgestaltet und großzügige Strukturen geschaffen haben, die es ermöglichen, viel mehr Speichermaterial in die Batterie einzubringen. Aktuell ist der Stand der Technik, dass in China Fahrzeuge mit Eisenphosphat-Batterien (ohne kritische Rohstoffe) über 1000 km Reichweite fahren können. Deutsche Hersteller nutzen jedoch weiterhin NMC-Zellen, also solche mit Kobalt.
3. Aufklärung von Umweltmythen.
a) Kinderarbeit im Kobaltabbau:
Kobalt wird im Kongo teilweise von kleinen Familienbetrieben abgebaut, wo Kinder Erzbrocken herausholen. Kobalt ist jedoch oft ein Nebenprodukt der Nickel- oder Kupferproduktion. Wichtig ist, dass Automobilhersteller sich verpflichtet haben, nur noch zertifizierte Minen (z.B. von Greenpeace) als Partner zu akzeptieren und Kobalt aus Kinderarbeit nicht mehr annehmen. Dieses Material findet sich laut den Quellen nach wie vor in chinesischer Billigelektronik, aber nicht mehr in Autos. Das Lieferkettengesetz wird die Situation in Zukunft weiter verschärfen.
b) Wasserverbrauch bei der Lithiumgewinnung:
Die Lithiumgewinnung erfolgt entweder in normalen Minen in Australien oder, was oft in Berichten thematisiert wird, am Atacama Salzsee in Südamerika. Dort wird Salzwasser, das Lithium enthält, in große Bassins gepumpt, wo es durch die Sonne verdunstet. Das konzentrierte Lithiumchlorid muss anschließend mit Wasser gewaschen werden.
Um Lithium für eine mittelgroße Tesla-Batterie herzustellen, werden etwa 4000 Liter Wasser benötigt. Diese Menge muss in Relation gesehen werden: 4000 Liter Wasser werden auch für 250 Gramm Rindersteak, zehn Avocados, die Baumwolle für ein T-Shirt oder eine halbe Jeans benötigt.
Die Hauptursache für den Wassermangel in der Atacama-Wüste (einer der trockensten Gegenden der Erde) ist nicht die Lithiumproduktion, sondern die Kupfermine Chuquicamata im Nachbartal. Die Kupferproduktion verbraucht dort achtmal mehr Wasser als die Lithiumproduktion und etwa so viel Wasser wie die Hotels in der Region (ca. 10 % des gesamten Wasserverbrauchs). Die Grundwasserstände sinken bereits seit den 1960er Jahren, also vor Beginn der Lithiumproduktion. Die chilenische Regierung hat den Hauptverursacher des Kupferabbaus dazu veranlasst, Abhilfe zu schaffen, indem vor zwei Jahren die größte Meerwasserentsalzungsanlage Südamerikas in Betrieb genommen wurde, die Süßwasser nach oben leitet und somit die Wasserreservoirs entlastet.
4. CO2-Fußabdruck (CO2-Rucksack).
Die Frage, ab welcher Kilometerleistung ein E-Auto nachhaltiger ist als ein Verbrenner, hängt von der Größe der Batterie und dem Herstellungsort (dem verwendeten Strommix) ab.
Wenn Batterien mit reinem Kohlestrom produziert werden (wie in manchen älteren Studien angenommen), beträgt der CO2-Rucksack 20 Kilogramm CO2 pro Kilowattstunde Batterie, was eine Fahrleistung von 50.000 km erfordern würde. Selbst dieser Wert wäre noch gut, da moderne Batterien 500.000 bis 1 Million Kilometer halten.
Der europäische Durchschnittswert lag im Jahr 2000 bei 100 bis 130 Wattstunden pro Kilogramm. Hersteller wie Northvolt in Schweden produzieren aktuell mit 50 Kilogramm CO2 pro Kilowattstunde und planen, bis 2026 auf 10 Kilogramm CO2 pro Kilowattstunde zu reduzieren. Dies würde die erforderliche Fahrleistung auf 3.000 bis 4.000 km senken. Ein Tesla Model S, das in Texas mit viel erneuerbarer Energie produziert wird, gibt einen Rucksack von 8.000 km an. Es besteht ein genereller Trend, dass europäische Hersteller versuchen, Energie in den Prozessen einzusparen und möglichst 100 % erneuerbare Energien in die Produktion einzubringen, um den CO2-Rucksack zu senken.
III. Batterien in der Energiewende und Anwendungen
1. Stationäre Speicher und Netzstabilität
Batterien spielen eine wichtige Rolle in der Energiewende, da sie elektrische Energie schnell speichern können. Sie sind zwar möglicherweise nicht für riesige Saisonalspeicher (Sommer zu Winter) geeignet, sind aber essenziell für die Stabilisierung der Netze.
Sie helfen, Netze zu stabilisieren, indem sie:
- Netzfrequenz stabilisieren: Bei plötzlichem Anschluss großer Verbraucher.
- Erzeugungsspitzen abfangen: Sie können Überschüsse (z.B. Solarenergie mittags) aufnehmen und für den Abend speichern.
- Dunkelflauten überbrücken: Dies ist in Europa maximal für drei bis vier Tage notwendig.
Ein Beispiel ist Kalifornien, wo der größte Speicher dieser Art in Monterey im Bau ist und eine Speicherkapazität von 6 Gigawattstunden hat. Damit kann eine Million Haushalte einen Tag lang mit Strom versorgt werden. Aktuelle Daten aus Kalifornien zeigen, dass mittags überschüssiger Solarstrom in die Batterien eingespeichert wird und gegen 21 Uhr etwa 30 % des Bedarfs aus diesen Speichern gedeckt werden kann.
2. Lebensdauer und Zweitverwendung (Second Life).
Die Anforderungen an Batterien für stationäre Speicher sind weniger hart als die an E-Auto-Batterien: Sie müssen weder in zehn Minuten geladen noch sofort entladen werden. Daher verwenden Hersteller für stationäre Speicher oft dieselben Batterien wie für Autos, da dies die Produktion vereinfacht und verbilligt.
Moderne Automobilbatterien können 1000 bis 2000 volle Ladezyklen absolvieren. Die Hersteller definieren das Lebensende einer Batterie typischerweise bei 80 % der ursprünglichen Kapazität. Selbst wenn dieser Punkt erreicht ist, kann die Batterie aus dem Fahrzeug ausgebaut und in einem sogenannten "Second Life" an einem Wind- oder Solarpark noch 10 bis 15 Jahre weiterlaufen. Neuere Batterien, wie sie die Firma CATL plant, sollen über die ersten 500.000 km praktisch keine Degradation aufweisen.
3. Marktdynamik und Effizienz.
In Europa verzeichnen die Verkäufe von Elektroautos in Deutschland und Italien derzeit Rückgänge, während in Ländern wie Belgien, Frankreich, Spanien und den Niederlanden Zuwächse zwischen 19 % und 35 % zu verzeichnen sind. Der größte Automarkt der Welt, China, wächst jährlich um 20 % und hat bereits einen Elektro-Anteil von 50 % aller Neuwagen. Bis 2027 werden in China voraussichtlich neun von zehn Neuzulassungen elektrisch sein.
- Effizienzunterschiede bei E-Autos: Der Effizienzunterschied zwischen ähnlichen E-Autos wie einem Tesla Model 3 und einem BMW i4 liegt nicht primär am Gewicht, da schwerere Autos länger rekuperieren können (Energierückgewinnung beim Verzögern). Entscheidender sind die Elektronik (z.B. durch den Einsatz von Siliziumkarbid), die Weiterentwicklung der Elektromotoren (die immer kleiner und leistungsfähiger werden) sowie die unterschiedlichen Batteriedesigns, welche zu variierenden Verlusten führen.
- Laden und Haltbarkeit: Das Schnellladen, welches früher als Problem für die Batteriealterung galt, ist heute generell unproblematisch. Dies liegt daran, dass das Laden vom Batteriemanagementsystem kontrolliert wird (Schnellladen ist nur in bestimmten Bereichen möglich), der Innenwiderstand gesenkt wurde (wodurch weniger Wärme entsteht) und ein ausgeklügeltes thermisches Management (Kühlung) Überhitzung verhindert.
IV. Zukünftige Batterietechnologien (Post-Lithium).
Die Forschung an Nachfolgern für Lithium-Ionen-Batterien wird vor allem durch den stark wachsenden Bedarf an Batterien und das Ziel der geostrategischen Unabhängigkeit motiviert. Die Verbreiterung der Materialbasis soll sicherstellen, dass Rohstoffe häufig, verfügbar, kostengünstig und nachhaltig sind und idealerweise nicht aus geographisch konzentrierten Quellen stammen.
1. Natrium-Ionen-Batterien.
Natrium-Ionen-Batterien verwenden Natrium anstelle von Lithium, einem Element, das in unbegrenzten Mengen in Form von Kochsalz, Soda oder Natron überall auf der Welt vorkommt. Die Speichermaterialien bestehen aus Hartkohlenstoff (anstelle von Graphit) für den Minuspol und Materialien wie Eisen, Mangan oder Magnesium für die andere Seite.
Eigenschaften und Anwendung: Die Natrium-Ionen-Chemie ist zwar schwächer als die Lithium-Ionen-Chemie (weniger Energie pro Volumen oder Gewicht), hat aber Vorteile:
- Geschwindigkeit: Sie sind schneller beladbar.
- Kälteperformance: Bei Minusgraden (z.B. -20 °C) haben sie praktisch keinen Kapazitätsverlust und behalten über 90 % der Speicherkapazität bei, was besser ist als bei Li-ion (etwa 70 %).
Durch die Verwendung neuer Batterie-Pack-Designs (ähnlich denen, die für Eisenphosphat entwickelt wurden) können Natrium-Ionen-Batterien mittlerweile Energiedichten erreichen, die mit Fahrzeugen wie dem Mercedes EQC vergleichbar sind. Aktuelle Natrium-Ionen-Fahrzeuge in China erreichen Reichweiten von 300 km, perspektivisch werden 500 km angestrebt, auch für größere Fahrzeuge der Golf-Klasse.
2. Kalium, Magnesium und Calcium
- Kalium: Das nächste Element im Periodensystem nach Natrium. Kalium ist größer und schwerer als Natrium, aber die Batterien sind noch schneller.
- Magnesium und Calcium: Diese Batterien (Calcium auf Kalksteinbasis) sind sogenannte "dicke Bretter" in der Forschung. Im Labor sind sie bereits funktionsfähig, es gibt aber noch Herausforderungen bezüglich Lebensdauer und Kosten, weshalb sie noch nicht reif für Anwendungen sind.
3. Festkörperbatterien (Solid-State)
Ziel der Festkörperbatterie ist es, den brennbaren flüssigen Elektrolyten in der Zelle durch eine feste Substanz zu ersetzen, was die Sicherheit erhöht. Dies würde auch ermöglichen, auf das Grafit im Minuspol zu verzichten und das Lithium direkt abzuscheiden, was perspektivisch eine 30- bis 40-prozentige Steigerung der Speicherkapazität bringen könnte.
Typen von Festkörperbatterien:
- Lithium-Polymer-Akku: Dies ist die einfachste Form, bei der die Flüssigkeit durch eine Lithium-Ionen leitende Kunststoffmembran ersetzt wird. Diese Technologie wird bereits in den meisten Notebook- und Handy-Akkus sowie in bestimmten Fahrzeugen (wie den Blue Cars von Boloré in Frankreich) eingesetzt.
- Keramische Schichten ("Heiliger Gral"): Das angestrebte Ziel ist die Verwendung einer keramischen Schicht anstelle von Kunststoff. Die Herausforderungen sind, dass die Materialien teuer und teilweise selten sind, und dass Keramik leicht bricht. Es ist bisher nicht gelungen, eine solche Zelle in PKW-Größe stabil zum Laufen zu bringen. Firmen planen die Marktreife für 2028 oder 2030, wobei unklar ist, ob diese Ziele erreicht werden können.
- Fast-Festkörperbatterien ("Almost Solid State"): Eine Mischform, die noch kleine Anteile von Flüssigkeit als Vermittler in der Zelle verwendet.
V. Industrielle Umsetzung und Forschungshürden.
1. Der Weg vom Labor zur Massenproduktion.
Der Schritt von einer erfolgreichen Laborzelle (z.B. einer Knopfzelle) zur Industrialisierung ist mit erheblichen Hürden verbunden. Im Labor werden Materialien in Milligramm-Mengen hergestellt, für die Industrie sind Kilogramm oder Tonnen erforderlich. Der Laborprozess funktioniert in dieser Größenordnung oft nicht. Selbst wenn ein neuer, skalierbarer Prozess gefunden wird, kann es sein, dass das Material seine ursprünglichen Eigenschaften verliert oder der Prozess zu teuer und damit nicht konkurrenzfähig ist. Auch Sicherheitsprobleme können beim Bau größerer Zellen auftreten.
2. Strategische Unterschiede und das deutsche Tempo.
Deutschland hat im Bereich der Batteriezellfertigung Zeit verloren. Obwohl Forschungsinstitutionen wie das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) bereits seit 2012 an Natrium-Ionen-Batterien forschen und führend in Deutschland sind, bringen die Chinesen die E-Autos damit auf den Markt. Dies liegt daran, dass der Staffelstab von der Forschung zur Industrie übergeben werden muss.
In der Vergangenheit gab es in Deutschland wenig Interesse an der Batteriezellfertigung. Obwohl mittlerweile 13 Gigafactories in Deutschland geplant sind, haben die Chinesen konsequent weiterentwickelt. China ist schneller in der Umsetzung, agiert pragmatischer und lösungsorientierter. In Deutschland sind Prozesse oft abstimmungsgetrieben, und es müssen viele Zulieferer ins Boot geholt werden.
3. Industrielle Skalierung und Wettbewerb.
Für eine profitable Batteriezellfertigung wird oft ein Anteil von mindestens 20 % des Weltmarkts benötigt. In Europa gibt es derzeit eine Menge Bewegung und Produktion, wobei der Bedarf, insbesondere im stationären Bereich, sehr unterschätzt wird. Im Heimspeicherbereich gibt es Zuwachsraten von 30 bis 40 % pro Jahr. Es ist zu erwarten, dass in diesem dynamischen Feld ein Selektionsprozess stattfindet und einige der gestarteten Firmen nicht erfolgreich sein werden.
Europäische Hersteller verwenden oft teure, kleinteilige Designs, die hochperformante Materialien (Nickel, Kobalt, Mangan) erfordern. Hersteller wie Stellantis (Opel, Peugeot, Fiat) haben jedoch die chinesischen Designs (großzügigere Strukturen) adaptiert und können dadurch mit Eisenphosphat-Batterien bezahlbare Elektroautos anbieten. In China sind Mittelklassefahrzeuge mit 500 km Reichweite bereits für 14.000 € erhältlich, und einige Hersteller bieten Kleinwagen für 10.000 € an.
Siehe auch:
E-Autos, Trends, Entwicklung, Technologien, Batterien, Märkte, Robotik, KI, FSD (autonomes Fahren), Ladezeit, Reichweite. Ausblicke in die dynamische Entwicklung des Elektroautomarktes: Technologien und globale Skalierung.
E-Autos, Trends, Entwicklung, Technologien.
Disclaimer / Abgrenzung
Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.
Quelle (Dezember 2025)
Prof. Maximilian Fichtner - Batterien für E-Autos & die Energiewende
https://m.youtube.com/watch?v=bFoNs-VNrRo&pp=0gcJCTwKAYcqIYzv