Elektroautos sind eine bahnbrechende Technologie mit einer Achillesferse – der Batterie.

Aktuelle Batterien sind teuer und haben eine begrenzte Reichweite, was es schwierig macht, von San Jose nach San Francisco und zurück zu fahren, ohne zum Aufladen anzuhalten. Experten sind sich einig, dass Verbraucher Elektrofahrzeuge nie vollständig annehmen werden, bis sie mit einer einzigen Ladung so weit wie ein Benzinauto fahren können.

Das weltweite Rennen um den Bau einer besseren Lithium-Ionen-Batterie ist also eröffnet, die die Herkulesleistung der Reichweitenverlängerung vollbringt und dabei langlebig, erschwinglich, schnell aufladbar und sicher ist.



In Asien investieren Regierungen und große Batterieunternehmen stark in Batterietechnologie der nächsten Generation, während in den Vereinigten Staaten ein Großteil der Spitzenforschung in Labors und Universitäten des Department of Energy durchgeführt wird. Die Bay Area – Heimat der in Palo Alto ansässigen Tesla-Motoren ( TSLA ), Lawrence Berkeley National Laboratory und zwei Dutzend Batterie-Startups – hat sich zu einem der landesweit führenden Zentren für Batterieinnovationen entwickelt.

Das Transportwesen wird elektrisch und Batterien sind zu einer wirklich kritischen Technologie geworden, sagte Steve Visco, Chief Technology Officer von PolyPlus, einem Startup, das aus dem Berkeley-Labor hervorgegangen ist. Die chinesische Regierung subventioniert viel Batterieforschung, und in Japan haben die Unternehmen 10-, 20- und 30-jährige Technologie-Roadmaps.

Die Einsätze sind enorm. Präsident Barack Obama will bis 2015 1 Million Elektrofahrzeuge auf Amerikas Autobahnen sehen, aber viele sagen, dass dieses Ziel schwer zu erreichen sein wird, bis die Reichweite verbessert wird.

Die Wahrnehmung von Reichweitenangst ist eine echte Herausforderung für uns, sagte Carlos Ghosn, CEO von Renault-Nissan, dessen Unternehmen den vollelektrischen Nissan Leaf herstellt, während eines Besuchs an der Stanford University im vergangenen Monat. Die Leute sind ängstlich, weil es ein Double Dip ist – die Reichweite ist begrenzt und wenn ich dann feststecke, wo kann ich aufladen?

Batterien sind komplexe Systeme, die gespeicherte chemische Energie in Elektrizität umwandeln. Forscher sagen, dass Fortschritte oft mit Kompromissen verbunden sind: Eine Verbesserung der Reichweite kann zu explodierenden Kosten oder einer kürzeren Batterielebensdauer führen.

Es ist eine sehr demütigende Erfahrung, an Batterien zu arbeiten, sagte Venkat Srinivasan, ein Wissenschaftler, der das hoch angesehene Team Batteries for Advanced Transportation Technologies im Berkeley-Labor leitet. Eine gute Batterie herzustellen ist unglaublich schwer, und die Massenproduktion ist noch schwieriger. Wenn Sie nach einer Verbesserung streben, verlieren Sie normalerweise etwas anderes und Sie können keine Kompromisse bei der Sicherheit eingehen. Wenn wir die Energiedichte verdoppeln könnten, wäre das ein riesiger Durchbruch.

Gemessen in Kilowattstunden pro Kilogramm oder Liter bestimmt die Energiedichte die Reichweite: Je mehr Wattstunden Sie haben, desto mehr Kilometer kann das Auto mit einer einzigen Ladung zurücklegen. Kostengünstige Batterien mit hoher Energiedichte sind der heilige Gral.

Wenn Sie mit einer Ladung 300 Meilen fahren könnten, würden Sie ein deutliches Wachstum bei Elektrofahrzeugen sehen, sagte Michael Omotoso, Autoanalyst bei J.D. Power and Associates. Wir gehen davon aus, dass die Batteriekosten aufgrund der Massenfertigung sinken werden, aber wir sehen nicht, dass die Energiedichte so stark steigt.

Der Tesla Roadster, Nissan Leaf und Chevrolet Volt verwenden alle eine Form von Lithium-Ionen-Chemie in ihren Batterien. Lithium-Ionen-Batterien, die 1991 erstmals von Sony kommerzialisiert wurden, werden häufig in der Unterhaltungselektronik wie Laptops und Mobiltelefonen verwendet, sind jedoch relativ neu in Autos.

Tesla Motors baute für seinen 109.000 US-Dollar teuren Tesla Roadster mehr als 6.800 Lithium-Ionen-Zellen zu einem massiven 990-Pfund-Batteriepack zusammen – eine Ingenieurleistung, die das größte Lithium-Ionen-Pack der Welt mit einer Reichweite von 245 Meilen schuf.

Teslas kommende Model S-Limousine, die 2012 auf den Markt kommen soll, wird mit drei Batterieoptionen erhältlich sein: 160, 230 oder 300 Meilen pro Ladung. Obwohl die Preisgestaltung nicht endgültig ist, sprechen die Kostenunterschiede zwischen den drei Modellen für die Batteriekosten. Das 160-Meilen-Modell S hat einen Grundpreis von 57.400 US-Dollar, vor der Bundessteuergutschrift von 7.500 US-Dollar. Die 230-Meilen-Reichweitenoption kostet etwa 10.000 US-Dollar mehr und die 300-Meilen-Reichweitenoption kostet 20.000 US-Dollar mehr – oder 77.400 US-Dollar.

Verbraucher wünschen sich die Möglichkeit, Batterien schnell aufzuladen, daher ist das Model S bei Bedarf für eine Aufladung in 45 Minuten gerüstet. Tesla hat die Batteriegarantie nicht angekündigt.

Der sperrige Akku im Roadster beschränkte das Auto auf zwei Sitze mit wenig Stauraum. Für das Model S, ein viel größeres Auto mit Platz für fünf Erwachsene, hat Tesla den Akku mit der Struktur des Autos verbunden, ein Design, das das Fahrzeug aerodynamischer macht.

Auch das in Santa Monica ansässige Unternehmen Coda Automotive, dessen vollelektrische Coda-Limousine in diesem Jahr in Kalifornien auf den Markt kommen soll, hat die Batterie in das strukturelle Design des Autos integriert. Der 34-kWh-Akku von CODA mit einer erwarteten Reichweite von 90 bis 120 Meilen befindet sich zwischen den Hinterrädern und der Vorderachse. Coda hat die Batteriegarantie noch nicht abgeschlossen, aber es wird erwartet, dass sie mindestens acht Jahre oder 100.000 Meilen beträgt.

Die Reichweite ist wichtig, sagte Phil Gow, Vice President of Battery Systems bei Coda. Aber auch das Leben ist wichtig. Wenn Sie die Batterie ersetzen müssen, ist das ein erheblicher Kostenfaktor. Wir wollten ein Auto entwerfen, bei dem die Batterie die Lebensdauer des Fahrzeugs hält. Wir haben einen großen Akku mit viel Reichweite. Unsere größte Einschränkung sind die Kosten.

Zu den grundlegenden Eingeweiden einer Batterie gehören eine negativ geladene Anode, eine positiv geladene Kathode und der Elektrolyt. Wenn eine Batterie vollständig geladen ist, konzentrieren sich die Lithiumionen in der Anode. Wenn sich die Batterie entlädt, fließen die Ionen zur Kathode und Strom fließt durch den Stromkreis, wodurch Energie freigesetzt wird.

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Das kommerziell beliebteste Anodenmaterial ist Graphit; Kathoden bestehen normalerweise aus einer Lithiumverbindung, wie beispielsweise Lithiumeisenphosphat. Viele Startups experimentieren mit Batteriechemie und verwenden verschiedene Materialien für die Anode oder Kathode oder beides.

Während in der Branche davon gesprochen wird, über Lithium hinauszugehen und neue Materialien zu verwenden, erwarten viele, dass Lithium-Ionen-Batterien in den kommenden Jahrzehnten dominant bleiben werden.

Jeder bewegt sich schnell auf der Technologiekurve nach oben, sagte Jim Dunlay, Teslas Vice President für Powertrain Hardware Engineering. Lithium-Ionen sind immer noch auf einem starken Weg; es hat nicht den Höhepunkt erreicht. Wir verwenden bessere Zellen und haben gelernt, sie dichter zusammenzupacken. Aber es geht nicht nur darum, eine bessere Batterie zu bauen. Eine bessere Batterie bedeutet, dass wir ein besseres Auto haben.

Die Obama-Regierung hat 2,4 Milliarden US-Dollar in Batterien und Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge investiert, in der Hoffnung, die Energiedichte zu verbessern, Kosten zu senken und Arbeitsplätze zu schaffen. Tesla, Nissan und Fisker Automotive haben Kredite für den Aufbau von Produktionsstätten erhalten, und mehreren anderen Unternehmen wurden ARPA-E-Zuschüsse des Bundes zuerkannt, die risikoreiche und lohnende Energieforschung unterstützen. PolyPlus erhielt für seine Arbeit an einer wiederaufladbaren Lithium-Luft-Batterie einen ARPA-E-Zuschuss in Höhe von 5 Millionen US-Dollar.

Einige der besten Köpfe des Landes arbeiten jetzt in diesem Bereich, sagte David Sandalow, stellvertretender Sekretär des Energieministeriums für Politik und internationale Angelegenheiten. Wenn Sie intellektuelles Kapital und finanzielle Ressourcen kombinieren, passiert genau das. Es ist ein dynamischer Raum.

Illinois, Massachusetts und Michigan sind Zentren fortschrittlicher Batterieforschung, und auch die Bay Area hat sich zu einem wichtigen Akteur entwickelt: Tesla Motors wird das Model S in seiner Fabrik in Fremont bauen, und mehrere Startups wurden aus dem Berkeley-Labor und der Stanford University ausgegliedert .

Viele Batterie-Startups bleiben im Stealth-Modus und müssen ihre Technologie noch eingehend diskutieren. Aber sie ziehen Risikokapitalfinanzierungen an.

Amprius mit Sitz in Mountain View verwendet Silizium für das Material der Batterieanode und sammelte im März 25 Millionen US-Dollar. Seeo wurde 2007 mit einer exklusiven Lizenz zur Nutzung fortschrittlicher Technologie aus dem Berkeley-Labor gegründet und wird von Khosla Ventures unterstützt, und Envia Systems, ein Newark-Startup, das Mangan in seiner Kathode verwendet, hat 17 Millionen US-Dollar von General Motors gesammelt.

Jeder optimiert die verwendeten Materialien, sagte Srinivasan vom Berkeley-Labor, der 24 Batterie-Startups in der Region kennt. Wir erhalten E-Mails mit den Worten: „Hallo, wir haben eine Batteriefirma gegründet, können wir Sie treffen?“‰

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