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E-Bike Akku ohne Lithium: Vielversprechende alternative Batterien
In diesem Artikel erfährst du alles darüber, welche vielversprechenden Alternativen es zu Lithium-Akkus gibt.
- Auf einen Blick
Lithium-Ionen-Akkus begleiten unseren Alltag. Sie dienen außer im E-Bike beim Smartphone, Laptop oder E-Auto als Energiequelle. Viele Jahre erschienen sie perfekt. Mit ihrer hohen Energiedichte bieten sie viel Energie auf kleinem Raum. Für den Einsatz in Elektrogeräten ein großer Vorteil. Leider sind sie wenig nachhaltig und verbrauchen wertvolle Ressourcen. Daher sind Branchen und Wissenschaft auf der Suche nach Alternativen. Im Gespräch sind derzeit einige innovative Batterietechnologien. Wie weit die Entwicklung vom E-Bike Akku ohne Lithium Ionen vorangeschritten ist und welche Alternative es gibt, erfährst du in diesem Beitrag.
Welche Nachteile hat ein Lithium-Ionen-Akku?
Lithium gilt als umstrittener Rohstoff. Ressourcenknappheit, schlechte Arbeitsbedingung beim Abbau und schädliche Umwelteinflüsse sind ein paar der negativen Faktoren der Lithium-Ionen-Batterie (LIB).
- Kosten: Der Lithium Fahrrad Akku kann teuer sein, was den Gesamtpreis eines E-Bikes erhöht. Die aktuellen Kosten eines Lithium-Ionen-Akkus für ein E-Auto liegen beispielsweise bei 110 und 140 Euro pro Kilowattstunde. Für einen E-Bike-Akku musst du derzeit zwischen 200 und 800 Euro bezahlen.
- Gewicht: Lithium-Ionen-Akkus sind schwer, was das Gewicht des E-Bikes erhöht und die Handhabung beeinträchtigen kann.
- Lebensdauer: Die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus ist begrenzt. Übermäßiges Entladen, extreme Temperaturen, direkte Sonneneinstrahlung und häufiges Laden verkürzen ihre Lebensdauer.
- Sicherheit: Ein Lithium-Ionen-Akku kann bei unsachgemäßer Handhabung oder Beschädigung Feuer fangen oder explodieren.
Zusätzlich gibt es eine ganze Reihe bedenklicher Aspekte in Bezug auf die Umwelt:
- Der Abbau von Lithium und anderen Rohstoffen, die für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus benötigt werden, hat negative Umweltauswirkungen. Das betrifft hauptsächlich den Energieverbrauch und die Umweltbelastung bei der Extraktion und Verarbeitung der Materialien.
- Die Entsorgung von Lithium-Ionen-Akkus erfordert spezielle Verfahren, da sie gefährliche Chemikalien enthalten. Wird ein Lithium-Ionen-Akku unsachgemäß entsorgt, kann das Umweltschäden verursachen. Landet ein Lithium-Ionen-Akku in einer regulären Mülldeponie oder wird verbrannt, kommt es zur Freisetzung giftiger Substanzen.
- Das Recycling von Lithium-Ionen-Akkus ist möglich, aber technisch anspruchsvoll und teuer. Viele Länder haben noch keine ausgereiften Recyclinginfrastrukturen für Batterien. Das hat eine hohe Anzahl von nicht recycelten Batterien zur Folge und führt zu einer potenziellen Verschwendung wertvoller Rohstoffe.
Welche nachhaltigen Alternativen gibt es zur Lithium-Ionen-Batterie (LIB)
Die Forschung beschäftigt sich derzeit mit einigen alternativen Modellen als Ersatz für den Lithium Akku bei E-Bike und Co. Dazu gehören unter anderem:
- Metall-Luft-Batterie (z.B. Zink-Luft-Batterien)
- Metall Schwefel Batterie (Kalzium-Batterien)
- Redox-Flow-Batterie
- Natrium Ionen Batterie
- Salzwasser Batterie
- Natrium-Schwefel-Hochtemperatur-Batterie
- Zink- oder Aluminium-Ionen-Batterie
Vielversprechend sind laut dem Fraunhofer-Institut Metall-Ionen-, Metall-Schwefel-, Metall-Luft- und Redox-Flow-Batterien.
Die verschiedenen Technologien für die Energiespeicher unterscheiden sich im strukturellen Aufbau und in den verwendeten Materialien. Bei einigen kommen anstelle von Lithium beispielsweise Zink und Natrium zum Einsatz. Laut Aussage der Wissenschaft ist bei den alternativen Batterie Technologien der hohe Ressourcenverbrauch nach wie vor gegeben. Allerdings handele es sich in diesem Fall um weniger "kritische" Rohstoffe.
Die stetig ansteigende Nachfrage nach Elektrogeräten sorgt für Rohstoffengpässe. Bekannt ist dieses Problem nicht erst seit 2024. Bereits 2023 kam es zu einigen Lieferschwierigkeiten. Akku Alternativen haben gute Chancen, in Zukunft die LIBs zu ersetzen. Die derzeit geringe Anwendung der neuen Batterie Technologien sorgt weiterhin dafür, dass die Rohstoffknappheit von Lithium, Nickel und Kobalt in den kommenden 10 Jahren bestehen bleiben wird.
Ein weiteres Problem sind die Produktionskosten. E-Bike Akkus ohne Lithium weisen geringere Materialkosten auf. Dafür fallen die Kosten für die Herstellung höher aus. Grund dafür ist die geringe Nachfrage und damit der niedrige Produktionsumfang.
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Welche Vorteile bietet die alternative Akku-Technologie?
Die Produktion der Lithium-Ionen-Batterien ist ein Ressourcen-Problem und ein geopolitisches Problem. Wie die Vergangenheit gezeigt hat, bestehen in Deutschland Herausforderungen bezüglich der Rohstoffabhängigkeiten. Hinzu kommen umfangreiche vorgelagerte Lieferketten und die Mängel in der Recyclingwirtschaft. Zusätzlich bestehen Defizite bei den Produktionskapazitäten für die Zellen. Batterietechnologien, die zugleich ökonomische, ökologische und technologische Vorteile gegenüber den dominierenden LIBs erzielen, sind somit Ziel der Forschenden.
Die größten Vorteile alternativer Batterien gehören:
- Verwendung weniger kritischer Rohstoffe
- geringere Kosten
- mehr Nachhaltigkeit
- mehr Ladeleistung und damit weniger Ladezyklen
Alternative Batteriesysteme verfügen nicht ausschließlich über Vorteile. Zu ihren Nachteilen zählen:
- eine geringere Energiedichte
- Größe und Gewicht
- größere Dicht, die mehr Rohstoffe erfordert
- geringe Technologiereife
Vielversprechende Akku-Technologien für die Zukunft
Neue und vielversprechende Energie Speicher Systeme werden in naher Zukunft – zu jeweils unterschiedlichen Zeiten – zur Verfügung stehen. Aufgrund ihrer verschiedenen technischen Beschaffenheiten eignen sie sich für entgegengesetzte Anwendungsmöglichkeiten. Das bedeutet: Nicht jeder neue Akku kann der zukünftige E-Bike Akku ohne Lithium Ionen werden.
Vielversprechend sind unter anderem für den E-Bike Markt die Entwicklungen im Bereich der Feststoffbatterie. Hinzu kommen andere Systeme, die derzeit neu auf dem Markt erscheinen. Dazu gehören beispielsweise Superkondensatoren aus Kohlenstoff, Kalzium E-Bike-Akkus oder die Redox Flow Batterien.
Die meisten von ihnen verzichten auf Seltene Erden und stellen somit eine nachhaltige Chance für die Elektronikindustrie und die E-Mobilität dar. Akkus sollen in Zukunft leicht, klein und nachhaltig sein und eine hohe Energiedichte besitzen. Daran arbeitet die Wissenschaft weltweit mit Hochdruck.
Was ist eine Feststoffbatterie?
Feststoffbatterien sind Energiespeicher mit vielversprechenden Parametern wie:
- mehr Reichweite
- bessere Leistung
- höhere Sicherheit
Der bisherige Lithium-Ionen-Akku basiert auf flüssigen Elektrolyten. Die Feststoffbatterie arbeitet mit einem Festkörper Elektrolyt. Diese Art des Energiespeichers ist nicht komplett neu, sondern eine Variation des Lithium-Ionen-Akkus. Vielversprechende Materialien sind Oxid-Elektrolyte, Sulfid-Elektrolyte und Polymer-Elektrolyte. Feststoffkörperbatterien zählen derzeit zu den vielversprechendsten Technologien der Zukunft für den Einsatz im Elektroauto, E-Scooter oder E-Bike.
Bei der Skalierung dieser Technologie gibt es weitere Probleme zu lösen. Dazu gehört z. B. die Herstellung von Festkörperbatterien in großen Mengen zu erschwinglichen Preisen. Dennoch gilt ihre Entwicklung als vielversprechender Schritt in Richtung einer nachhaltigeren und sicheren Zukunft.
Wann gibt es die Feststoffbatterie?
Damit die Feststoffbatterie die LIBs ablösen kann, müsste sie deutliche Leistungsverbesserungen hervorbringen. Nur dadurch kann sie relevante Marktanteile erhalten. Derzeit stehen Feststoffbatterien im ständigen Wettbewerb zu den Flüssig-Elektrolyt-Batterien. Die anfänglich höheren Kosten für ihre Produktion lassen vermuten, dass sie zu Beginn vornehmlich im Premiumsektor zum Einsatz kommen. Außerdem stehen die Forschenden bis zum fertigen Produkt noch vor einigen großen Herausforderungen. Dazu gehören zum Beispiel:
- Erforschung und Entwicklung von Anodenmaterial mit mehr Kapazität
- Entwicklung von festen Elektrolyten
- fehlende forschende Mitarbeitende aus den Bereichen Physik, Mathematik, Chemie und Informatik
- Entwicklung eines nachhaltigen Recyclingsystems
In China haben sich mehrere Autohersteller zusammengeschlossen, um die Kommerzialisierung der Feststoffbatterie zu beschleunigen. Das chinesische Konsortium namens China All-Solid-State Battery Collaborative Innovation Plattform (CASIP) möchte bis 2030 wettbewerbsfähige Feststoffbatterien produzieren und entsprechende Lieferketten aufbauen.
Der Allianz angehörig ist CATL – der größte Batteriehersteller weltweit mit Sitz in China. CATL liefert z. B. LFP-Akkus für Tesla. Die CATL-Zellen stecken derzeit in jedem dritten Elektroauto. 2023 stellte CATL während einer YouTube-Präsentation einen neuen Akku mit einer deutlich schnelleren Ladekapazität vor. Dabei handelt es sich nicht um eine reine Feststoffbatterie. Zur Anwendung kommen bei dem neuen Super Akku teilweise feste und gasförmige Elektrolyte. Diese werden bei niedrigem Druck verflüssigt oder verfestigt. Die Energiedichte des Akkus liegt laut CATL bei einem Rekordniveau von 500 Wattstunden pro Kilogramm.
Heutige Spitzen-Akkus schaffen höchstens die Hälfte. Mit dieser neuen Technologie kann bei einer üblichen Fahrzeugbatterie ein Auto innerhalb von 15 Minuten komplett aufgeladen werden. Bei den Auto-Herstellern tut sich derweil einiges in Bezug auf die Feststoffbatterie:
- Nissan möchte 2024 mit einer Pilotproduktion starten und 2028 das erste Serienauto mit Feststoffbatterie auf den Markt bringen
- Bei VW soll die Feststoff-Technik in Zusammenarbeit mit dem amerikanischen Unternehmen QuantumScape 2025 in einer Pilotanlage zum Einsatz kommen.
- Mercedes-Benz arbeitet mit der taiwanischen Firma ProLogium zusammen und möchte bis 2050 Feststoffbatterien in ausgewählten Modellen integrieren
- Ford und BMW planen den Einsatz der Super Zellen zusammen mit dem Batterie-Spezialisten Solid Power aus den USA im Jahr 2026.
Erste E-Bike Akkus ohne Lithium Ionen
2023 wagte sich der erste E-Bike Hersteller mit einer Feststoff-Akkuzelle auf die Eurobike in Düsseldorf. Das taiwanesische Unternehmen TD Hitech Energy sorgte auf der weltgrößten Fahrradmesse zusammen mit der Schweizer Premium E-Bike Marke Stromer für Aufregung. An einem ersten fahrbaren Prototyp stellte Stromer eine Keramik-Festkörper-Batterie vor. Die hervorstechenden Eigenschaften dieses Akkus sind:
- deutlich kürzere Ladezeit (zehnmal schneller als aktuelle Lithium-Ionen-Akku)
- Tieftemperaturladung bis -20° C
- höhere Sicherheit
- größere Reichweite
Der Batterie-Experte von Stromer, Martin Caccia, ließ verlauten: „Es gibt fast nur Vorteile. Viele werden sicherlich noch skeptisch sein und zunächst abwarten. Wir aber wollen direkt involviert sein und das Thema mit vorantreiben. Und dann werden wir hoffentlich in einigen Jahren ein Resultat haben, das wir präsentieren können.“ Die Branche rechnet frühestens 2027 mit der Markteinführung des Stromer E-Bikes mit der zukunftssicheren Akkutechnologie.
Wahrscheinlich wird es in kürzester Zeit nicht die eine Feststoffbatterie geben. Denkbar ist eine ganze Reihe innovativer Batterietechnologien, die den Lithium-Ionen-Akku ablösen könnten. Das zeigt unter anderem der Initiator des Pi-Pop E-Bikes, der französische Unternehmer Adrien Lelièvre. Um auf seltene Ressourcen und einen Akku zu verzichten, hat Lelièvre ein 20 kg schweres E-Bike namens Pi-Pop entwickelt.
Das Pi-Pop nutzt einen Superkondensator. Im Gegensatz zur Lithium Batterie funktioniert ein Superkondensator nicht durch einen chemischen Prozess, sondern auf elektrostatische Weise. Das bedeutet, es wird die Energie genutzt, die entsteht, wenn man in die Pedale tritt oder bremst. Die so gewonnene Energie wird für das Wiederanfahren und Bergauffahrten verwendet.
Wie funktioniert ein Superkondensator
Superkondensatoren sind keine Neuheit. Sie wurden bereits Ende der 1970er Jahre hergestellt. Heute kommen sie in fotovoltaischen Systemen wie Solaranlagen, Digitalkameras und einigen Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Die Formel 1 nutzt ebenfalls Superkondensatoren. Laut deren Aussage liegt die Lebensdauer eines Superkondensators bei 10 bis 15 Jahren (Kapazität von bis zu 1.000.000 Ladezyklen). Ein deutlicher Vorteil gegenüber den fünf bis sechs Jahren einer Lithiumbatterie.
In Sachen Nachhaltigkeit haben die Superkondensatoren ebenfalls die Nase vorn. Für die zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien wie Kohlenstoff, Polymer, Zellstoff und Aluminiumfolien bestehen bereits Recyclingprozesse.
Ein Kondensator speichert Energie zwischen zwei Elektroden und einem Isolationsmaterial. Seine Kapazität hängt von der Elektrodenfläche, dem Isolationsmaterial und dem Elektrodenabstand ab. Wenn der Kondensator aufgeladen ist und von der Stromquelle getrennt wird, bleibt die Spannung erhalten. Die gewonnene Energie kann er anschließend an einen Verbraucher abgeben. Superkondensatoren benötigen kein Isolationsmaterial zwischen den Elektroden. Das verleiht ihnen im Gegensatz zu normalen Kondensatoren eine höhere Energiedichte und Kapazität.
Kalzium Akku für E-Bikes
Kalzium ist auf der Erde etwa 2.500-mal häufiger vorhanden als das seltene Lithium. Kalzium-basierte Batterien für Elektrofahrräder wären eine echte Alternative zur Lithiumbatterie. Bisherige Kalzium Akkus haben ein Problem: Eine optimale Funktionsweise ist erst ab einer Temperatur von mehr als 75 Grad Celsius gegeben. Jetzt ist es Forschenden aus China gelungen, eine Kalzium-Luft-Batterie zu entwickeln, die bei normaler Raumtemperatur optimal arbeitet. Dafür wird anstelle des früher verwendeten Calciumoxid Calciumperoxid eingesetzt.
Es gelang den Forschenden, aus Nanoröhrchen und einem besonderen Elektrolyten eine innovative Konstruktion herzustellen. Die neuen Batterien ließen sich im Test 700-mal wieder aufladen. Für eine Marktreife ist es notwendig, dass die Akkus mindestens 1.500 Ladezyklen schaffen. Am Karlsruher Institut für Technologie arbeitet man darum fieberhaft an der Verbesserung der Akku-Kapazität. Kalzium-basierte Batterien für Elektrofahrräder können ein weiterer Schritt in eine nachhaltige Batterietechnologie sein.
Natrium Ionen Speicher gelten als vielversprechend
Die Natrium-Ionen Technologie erweist sich als vielversprechend. Nicht nur CATL (chinesischer Batteriehersteller) hat 2023 die Produktion von Natrium-Ionen-Akkus angekündigt. Auch Yiwei brachte Anfang 2024 sein erstes serienproduziertes E-Fahrzeug mit Natrium-Ionen-Akku auf den Markt. In Europa tut sich ebenfalls etwas. Im Herbst 2023 hat der schwedische Hersteller Northvolt eine Natrium-Ionen-Batterie für den stationären Einsatz vorgestellt. Ein Akku für die mobile Anwendung soll demnächst folgen.
Der Vorteil von Natrium Ionen Speicher: Bei diesen Akkus wird das seltene und aufwendig gewonnene Lithium durch das in großen Mengen verfügbare und leicht zu handhabende Natrium ersetzt. Zudem gelten sie als deutlich sicherer und weisen eine bessere Leistungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen auf. Einer der größten Pluspunkte ist ihre Verwendung als »Drop-in«-Technologie. Das heißt, es können bestehende Produktionsanlagen genutzt werden, was eine schnelle Steigerung der Produktionskapazität zulässt.
Redox-Flow-Batterien
Neben den vielversprechenden Feststoffkörper-Akkus gibt es ebenfalls innovative Flüssig-Akkus mit Potenzial. So wie z. B. Flow-Batterien. Ihr einziges Manko – die geringe Energiedichte. Daran wird eifrig gearbeitet. Dass eine über 137 Jahre alte Akkutechnik die innovative Batterietechnologie der Zukunft sein soll, klingt utopisch. Die Redox Flow Batterie zeigt, dass es geht. Sie revolutioniert gerade die Energiespeichertechnik. Bei der Zellchemie einer Flow Batterie gibt es zahlreiche Unterschiede und vielseitige Ansätze. Flow ist nicht gleich Flow. In Bereichen, bei denen das Verhältnis von Akku Kapazität und Gewicht keine Rolle spielt, sind Redox-Flow-Akkus eine willkommene Alternative zum Lithium-Ionen-Akku.
Die Vorteile des Redox-Flow-Akkus:
- nicht brennbar
- einfach zu recyceln
- beeindruckende Lebensdauer (bis zu 20.000 Zyklen mit 100 Prozent Speicherkapazität)
Für das E-Auto und E-Bike ist die Redox-Flow-Batterie momentan noch uninteressant. Als stationäre Speicherlösung ist sie umso vielversprechender.
Wasserstoff E-Bike
Wasserstoff E-Bikes sind keine Zukunftsmusik. Es gibt sie schon eine geraume Zeit. In China beispielsweise werden sie als Sharing-Lösung in Großstädten eingesetzt. In Deutschland dienen sie ebenfalls hauptsächlich als Flottenlösung. Seit kurzem kannst du auch privat ein sogenanntes H2-Bike aus China erwerben. Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger, wenn es um umweltfreundliche Energiespeicher und E-Mobilität geht. Umwelttechnisch hat Wasserstoff einen deutlichen Vorteil gegenüber Batterien. In Bezug auf das Gewicht ist er den Akkus ebenfalls weit voraus. Besonders, wenn es um LKW und Züge geht.
Wasserstoff lässt sich direkt einsetzen, um Strom zu erzeugen. In einer Brennstoffzelle wird elektrische Energie frei, wenn man Wasserstoff und Sauerstoff verbindet. So lassen sich E-Autos antreiben. Außerdem kann man Wasserstoff in Treibstoff umwandeln und dann mit einem Verbrennungsmotor nutzen. Die größte Hürde beim Wasserstoff ist die aufwendige und kostenintensive Herstellung. Außerdem werden bei der derzeitigen Herstellung für eine Tonne Wasserstoff rund zehn Tonnen Kohlendioxid freigesetzt.
Momentan wird daran gearbeitet, grünen Wasserstoff zu produzieren. Das geschieht mithilfe von Ökostrom (aus Wind und Sonne). In diesem Fall ist der Wasserstoff vollständig emissionsfrei. Mithilfe chemischer Reaktionen lässt sich ebenfalls umweltfreundlich Wasserstoff herstellen. Allerdings ist das Verfahren sehr teuer. An entsprechenden Lösungen wird derzeit weltweit geforscht.
Graphen Akku
Schluss machen mit langen Ladezeiten verspricht der Graphen Akku. Bereits 2020 arbeitete das estnische Start-up Skeleton Technologies an einem Graphen-Akku, der in 15 Sekunden geladen ist. Die „SuperBattery“ soll imstande sein, gleich mehrere Probleme zu lösen:
- Ladedauer: Mit dem Akku sind kürzere Ladezeiten möglich.
- Gewicht: Die Batterie ist kompakt und leicht.
- Haltbarkeit: Er besitzt eine weitaus höhere Lebensdauer als der bisherige Akku bei E-Bike und E-Auto
- Prozessverbesserung: Er verfügt über eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit.
- Nachhaltigkeit: Graphen macht umweltfreundliches Recycling möglich.
Den Beginn der Massenproduktion seiner „Super Battery“ hat Skeleton für 2024 geplant. 2022 meldete Shell sich als Großabnehmer bei dem Start-up. Der Konzern plant, das Speichersystem in seiner Bergbau-Sparte für die Elektrifizierung und Dekarbonisierung zu nutzen. Die Off-Road-Fahrzeugflotte von Shell soll damit ausgestattet werden. Graphen Akkus verwenden Graphen als Elektrodenmaterial. Dabei handelt es sich um ein einlagiges Material aus Kohlenstoffatomen mit einer hohen Leitfähigkeit. Aufgrund der viel schnelleren Ladezeit lassen sich derartige Batterien in einem Geländefahrzeug innerhalb von einer Minute aufladen.
Der größte Nachteil beim Graphen Akku ist seine geringere Energiedichte. Sie liegt im Gegensatz zum Lithium-Ionen-Akku (160 Wattstunden pro Liter) bei ca. 90 Wattstunden pro Liter. Wie viele andere Lösungen steckt der Graphen-Akku noch in der Entwicklungsphase. Aktuelle Herausforderungen gibt es unter anderem bei der Herstellung und Skalierung.
Fazit
Auch wenn noch einige Hürden und Herausforderungen für die zukünftigen innovativen Batterietechnologien bestehen, scheinen Forschung und Wissenschaft auf einem guten Weg zu sein. Welches der unterschiedlichen Systeme letztendlich als E-Bike Akku ohne Lithium Ionen infrage kommt, lässt sich momentan nicht vorhersagen. Eine bedeutende Rolle spielen dabei Faktoren wie der wirtschaftliche Konkurrenzkampf und die Akzeptanz bei den Kunden und Kundinnen.
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