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90 Kilometer im Winter, 120 im Sommer – das reicht nur für den Stadtverkehr. Zwar schaffen manche der neuesten Modelle einiges mehr, gut doppelt so viel. Dennoch: Das Aufladen dauert, die Herstellung ist teuer, verbraucht rare Rohstoffe und jede Menge Energie. Gesucht wird eine Superbatterie, die deutlich mehr als 500 Kilometer hält, die sicher ist, bezahlbar und ressourcenschonend. Auch Deutschland arbeitet daran."Thema Lithium-Ionen wird uns noch lange Zeit beschäftigen" Münster, das Batterieforschungszentrum MEET. Peter Bieker passiert eine Schleuse, die verhindern soll, dass Luftfeuchtigkeit ins Labor dringt. "Die Luft wird hier gefiltert. Sie werden merken, wenn Sie hier zwei Stunden drinstehen, dass die Umwälzung so stark ist, dass Sie langsam austrocknen. Wenn Sie hier im Raum länger als eine Stunde oder so arbeiten, dann verlieren Sie auch ordentlich Gewicht, weil dem Körper Wasser entzogen wird."

Trinken ist Pflicht – weshalb sich vorm Labor die Mineralwasser-Kästen stapeln. Trockenraum, so nennen die Forscher ihr Labor, die Luft ist tausendmal trockener als in der Sahara, sagt Biekers Kollege Tobias Placke. "Das ist sehr wichtig für den Zusammenbau der Batterien, weil Luftfeuchtigkeit oder Wasser der Batterie schadet und dadurch sehr starke Alterungseffekte auftreten."Placke und Bieker gehören zu den rund 200 Fachleuten, die sich in Münster um die Batterie von morgen kümmern – um Akkus, die länger halten, sich schneller aufladen lassen und günstiger sind. Braucht es dafür ganz neue Ideen, eine Revolution? Oder genügt es, an der bewährten Technik zu schrauben - der Lithium-Ionen-Batterie? "Wir glauben fest daran, dass das Thema Lithium-Ionen uns noch lange Zeit beschäftigen wird, sind aber durchaus offen, auch alternative Technologien zu untersuchen."

Die Lithium-Ionen-Batterie. Am 4. Februar 1991 von Sony vorgestellt. Heute steckt sie in Smartphones, Laptops und Elektroautos, sagt Martin Winter, der wissenschaftliche Leiter des MEET."Die Lithium-Ionen-Batterie besteht im Prinzip aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten. Elektroden muss man sich vorstellen wie Hotels. Die Hotels nehmen Lithium-Ionen als Gäste auf. Diese Lithium-Ionen können reversibel, das heißt umkehrbar, in diesen Hotels aufgenommen werden, beziehen dort ihre Zimmer und gehen danach wieder aus den Hotels heraus."Bildlich gesprochen steht das eine Hotel, die positive Elektrode, im Tal – wenig Energie. Das andere Hotel, die negative Elektrode, thront auf dem Berg – viel Energie.

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"Wenn geladen wird: Die positive Elektrode, da wandern die Gäste raus und wandern in die negative Elektrode. Beim Entladen, beim Prozess, bei dem die Energie gewonnen wird, werden die Gäste aus der negativen Elektrode gehen und wandern zur positiven Elektrode." Beim Laden muss Energie hineingesteckt werden – quasi die Energie, um die Gäste vom Tal auf den Berg zu befördern. Beim Entladen, wenn die Gäste von oben nach unten rutschen, wird diese Energie wieder frei, die Batterie liefert Strom. Je größer der Höhenunterschied ist, umso größer die Spannung, und je mehr Betten die Hotels haben, umso höher ist die Kapazität der Batterie, umso mehr Strom kann sie speichern.

"Das sind die fünf Kriterien: Energie, Leistung, Lebensdauer, Sicherheit, Kosten. Und das Schöne ist: Lithium-Ionen-Batterien kann man anpassen, dass man überall einen relativ brauchbaren Eigenschaftsmix hat. Man kann sie auch trimmen, dass sie besonders starke Leistung hat und dabei nicht so viel an Leben verliert. Oder man kann sie auf besonders starken Energieinhalt trimmen. Und sie ist immer noch recht leistungsfähig."Mit der Zeit konnte die Forschung die Lithium-Ionen-Batterien immer weiter verfeinern: Elektroden, die mehr Lithium aufnehmen. Elektrolyte, die das Lithium besser zwischen den Elektroden hin- und herleiten. Und: raffinierte Architekturen mit einem Maximum an Speichermaterial und einem Minimum an Peripherie. Dennoch: Es gibt Optimierungsbedarf, etwa in punkto Sicherheit.

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"Wie kann man Batterien nicht nur aktiv sicher machen, durch das entsprechende Management – in Autos werden Batterien gemanagt –, sondern auch passiv sicher machen, dass sie gar nicht brennen können?"Oder in punkto Schnellladung. "Fünf Minuten glaube ich, das ist akzeptabel. Im Moment sind es 20 bis 30 Minuten. Das ist für viele schon nicht mehr so komfortabel." Oder in punkto Ressourceneinsatz. "Wenn jeder von uns ein Elektroauto hat, wird’s eng bei einigen Elementen. Da müssen wir uns Alternativen überlegen."Und natürlich in punkto Kapazität. Was ist noch möglich mit der Lithium-Ionen-Technologie? Im Trockenraum des MEET stehen Peter Bieker und Tobias Placke vor den Apparaturen, mit denen sie ihre Batterie-Prototypen herstellen.

Eine Stanze für Elektroden. Ein Gerät zum Anschweißen der Metallkontakte. Eine Maschine zum Vakuumverpacken der Batteriezelle. Und die Wickelmaschine. Sie wickelt die positive und die negative Elektrode – beide in Folienform – zu einem kleinen Zylinder auf, voneinander getrennt durch den Separator, eine Trennfolie."Hier oben wird die Kathode eingespannt. Da steht ja auch schon positiv. Hier wird die negative Elektrode, also die Anode, eingespannt. Gleichzeitig wird oben und unten der Separator langgeführt. Das Ganze wird hier vorne aufgewickelt und in einen Behälter gepackt."

Dieser Behälter sieht aus wie ein Lippenstift – genau jener Batterietyp, der zu Zigtausenden im Tesla Model S steckt, dem wohl bekanntesten Elektroauto. In vielen Praxistests schafft er bei normalem Tempo mehr als 300 Kilometer, bei defensiver Fahrweise sogar noch mehr, kostet allerdings über 100.000 Euro. In Münster tüfteln die Forscher unter anderem daran, die Elektroden der Batterien zu verbessern. Tobias Placke nimmt eine Folie in die Hand – das Elektrodenmaterial."Momentan wird, wenn man die Anode anschaut, Graphit standardmäßig eingesetzt in allen Lithium-Ionen-Zellen. Man versucht mehr und mehr dahinzukommen, auch Silizium einzusetzen. Das könnte die Energiedichte und auch die Reichweite für die Elektromobilität deutlich nach vorne bringen."

Das Problem: Silizium kann zwar viel Lithium speichern, dehnt sich dabei aber kräftig aus, um das Dreifache seines Volumens. Reine Siliziumelektroden würden durch das extreme An- und wieder Abschwellen ziemlich schnell kaputtgehen. Deshalb bauen die Forscher das Silizium in die Graphitelektroden ein."In jetzigen Zellen ist schon ein bisschen Silizium drin, ein bis zwei Gewichtsprozent vielleicht. Das wird weiter optimiert, das wird mehr und mehr kommen. Und dadurch wird man auch mehr Reichweite bekommen. Das ist nicht mehr so weit weg."Bis zu 20 Gewichtsprozent Silizium scheinen machbar, meint Placke – und damit ein respektabler Kapazitätsgewinn.Ein weiterer Angriffspunkt: der Elektrolyt, also jene Flüssigkeit, die in der Batterie für den Transport der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden sorgt.