Wie die Chemiebranche E-Autos vorantreibt

24.07.2017

Berlin. Leise, kraftvoll, umweltfreundlich: Nach Wünschen der Bundesregierung sollte bis 2020 eigentlich eine Million Elektroautos auf deutschen Straßen fahren – 30 -mal so viele wie heute. Aktuell hält das aber nicht nur Bundeskanzlerin Angela Merkel für unwahrscheinlich. Dabei müssen die Stromer dringend dazu beitragen, die Klimaziele zu erreichen: Die Einspeisung erneuerbarer Energien in den Verkehrssektor soll bis 2050 rund 40 Prozent betragen – ein wichtiger Treiber. Um den E-Flitzer auf die Straße zu bringen, entwickeln Forscher laufend neue Materialien für die Batterie, aber auch für Reifen und Karosserie.

1. Kraft und Ausdauer

Intensive Forschung: Petra Stegmaier ist Batterie-Entwicklerin bei 3M in Neuss. Foto: Werk
Intensive Forschung: Petra Stegmaier ist Batterie-Entwicklerin bei 3M in Neuss. Foto: Werk

Das Know-how liegt nicht mehr beim Motor, sondern bei der Batterie. Der US-Elektropionier Tesla, technologischer Spitzenreiter, erreicht mit seinen Stromern rund 500 Kilometer. Konventionelle Antriebe schaffen aber das Doppelte.

An einer Lithium-Ionen-Batterie mit 1.000 Kilometer Reichweite arbeiten ein Konsortium unter der Federführung der Fraunhofer-Gesellschaft und Petra Stegmaier, Batterie-Entwicklerin beim Technologiekonzern 3M in Neuss.

Während das Konsortium Zellen zu größeren Batteriemodulen zusammenführen will, setzt Stegmaier auf die Zelle selbst. Die Hauptstellschrauben sind für sie das Material der Anode und der Kathode: „Wenn die Energiedichte der Zelle nicht stimmt, kann diese Schwäche nur mit sehr großem Aufwand im Moduldesign kompensiert werden“, so die Chemikerin.

Sie entwickelt neue Anodenmaterialien, bei denen Silizium das gängige Grafit ersetzt: „Das hat das Potenzial, die Reichweite auf Zellebene um bis zu 40 Prozent zu erhöhen.“ Davon darf die Haltbarkeit des Akkus, die im E-Auto mindestens zehn Jahre betragen soll, nicht beeinträchtigt werden.

„Entlädt der Autofahrer den Akku vor jedem Ladevorgang vollständig, erreicht man je nach Größe der Batterie eine Laufleistung von bis zu 400.000 Kilometern“, so Stegmaier. In der Realität würden die meisten Elektroautos aber mit 60 oder gar 80 Prozent Restkapazität nachgeladen.

„Unter diesen Voraussetzungen halten Batterien mit neuen Materialien, wie zum Beispiel Silizium, wesentlich länger.“ Insgesamt rechnet die Expertin bei Batterien mit einer Steigerung der Leistungs- und Energiedichte um über 25 Prozent in fünf Jahren und mehr als 50 Prozent in den nächsten zehn Jahren. Dabei werden sinkende Kosten gefordert: „Das Ziel für 2022 liegt bei rund 80 Euro pro Kilowattstunde.“ Dann müsste man für eine Batterie mit 60 Kilowattstunden nur noch 4.800 Euro hinblättern – vor zehn Jahren betrug der Preis das Zehnfache.

Auch der Chemiekonzern BASF in Ludwigshafen forscht kräftig an der Batterieleistung. Chemiker Masaki Sekine entwickelt zum Beispiel in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team Moleküle, die es „noch nie zuvor gegeben hat“. Dafür synthetisiert er innovative Materialien, die in das Geschehen in der Zelle eingreifen. Jetzt will der Chemiekonzern 400 Millionen Euro in den Aufbau eines eigenen Batterie-Materialwerks in Europa investieren.

2. Gewicht, Design und Sonnenschutz

E-Mobile bekommen durch die Batterie schweres Gepäck mit auf den Weg. Das Manko muss ein leichter, stabiler Werkstoff ausgleichen, der günstig ist und die Anforderungen der Insassensicherheit erfüllt. Das schafft technischer Kunststoff.

Im BMW i3, dem Elektrofahrzeug mit einer Fahrgastzelle aus karbonfaserverstärktem Kunststoff, punkten Materialien der BASF. Wichtige Verstärkungsteile der Karosserie bestehen aus thermoplastischem Kunststoff. Die Rückenlehnen der Frontsitze sind aus synthetischen Fasern, für die Rücksitzschale wurden erstmals in einem Serienfahrzeug Karbonfasern in Kombination mit einer Kunstharz-Matrix genutzt.

Das Spezialchemie-Unternehmen Evonik in Essen kennt sich ebenfalls mit Hightech-Materialien aus: „Wir haben Hochleistungskunststoffe, die Metall in Motornähe ersetzen können“, erklärt Oliver Eyrisch, Leiter des Evonik-for-Automotive-Teams.

Spannende Ideen für die Gestaltung von E-Autos liefert der Werkstoff-Spezialist Covestro aus Leverkusen. Transparenter Kunststoff (Polycarbonat) verschafft dem Fahrer jetzt durch eine „Rundumverscheibung“ einen Panoramablick wie im Leuchtturm. Als „Top-Technologie“ bezeichnet Projektleiter Jochen Hardt auch eine neue Autobeleuchtung: Holografische Folien ermöglichen leuchtende Flächen mit integrierten Scheinwerfern und Heckleuchten.

Fehlt noch der Sonnenschutz. Denn Sonne lässt nicht nur die Haut, sondern auch Kunststoffe altern. Deshalb sind Planken und Dach des BMW i3 mit Produkten von Wörwag aus Stuttgart lackiert. „Gerade das Dach stellt besondere Anforderungen an den Lack“, erklärt Markus Schmidtchen, Leiter der Entwicklung funktioneller Lacksysteme.

Die Konstruktion aus recycelten Karbonfasern enthält Epoxidharz. Da UV-Strahlen das Material angreifen, benötigt man einen Klarlack mit hohem Lichtschutzfaktor. Das verhindere quasi einen „Sonnenbrand“ .

3. Mehr Reichweite, weniger Widerstand

Schmal und hoch: Der neue Energiespar-Reifen für den Renault Zoe. Foto: Werk
Schmal und hoch: Der neue Energiespar-Reifen für den Renault Zoe. Foto: Werk

Mit einem speziellen Luftklappensystem wollen Wissenschaftler von Röchling in Mannheim den Luftwiderstand von E-Autos reduzieren und die Reichweite steigern. Im Tesla X und S stecken bereits Kühlergrills mit intelligenter, steuerbarer Luftführung. Geöffnet bieten die Luftklappen maximalen Kühlluftstrom und hohe Kühlleistung. Geschlossen reduzieren sie den Luftwiderstand und die benötigte Zeit, um sämtliche Antriebskomponenten auf Betriebstemperatur zu bringen.

Zwischen 20 und 30 Prozent der Energie für den Fahrbetrieb schlucken die Reifen. Sie werden ständig optimiert: „Reifengewicht, Massenträgheit und Rollwiderstand bleiben wichtige Hebel, die sich nicht nur auf die CO2-Emissionen, sondern auch auf die Fahrzeugreichweite auswirken“, weiß Eric Philippe Vinesse, Technik-Chef bei Michelin.

Der Reifenhersteller in Karlsruhe hat einen neuen Typ entwickelt: schmal gebaut mit großem Durchmesser und relativ hoher Seitenwand. Der energiesparende Pneu, in dem vier Jahre Forschung stecken, gehört zur Grundausstattung der Kompaktlimousine Renault Zoe – dem in Deutschland und Europa meistverkauften Elektrofahrzeug.

Autor: Sabine Latorre