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Montag Magazin: Mazdas Elektro-Wankel-REX MX-30E – das Rätsel bleibt. Revolutionäres neues Elektrodenmaterial macht Solid State-Batterien haltbarer.

Mazdas Wankel-REX für den MX-30E: Ziegruppe gefunden?

Kaum ein Elektroauto wurde in der Vergangenheit so kritisch besprochen, wie der Mazda MX-30. Auch wir titelten im Oktober 2020 mit der Headline „Ausfahrt im Mazda MX-30: auf der Suche nach der Zielgruppe„. Tatsächlich machten die Japaner so ziemlich alles anders, als der Mitbewerb. Während die Presse den MX-30 eher unter der Kategorie „Kuriosum“ ablegte, entschieden sich im Jahr 2022 noch ganze 1.815 Kunden für das Fahrzeug, im Jahr 2021 waren es noch immerhin 3.428 Käufer gewesen. Das Problem des MX-30, der mit seinen relativ kompakten Abmessungen als City-Crossover fungiert, war vor allem seine kleine Batterie mit nur 30 kWh nutzbarer Kapazität. Die Reichweite des mindestens 36.000 Euro teuren Stromers ist mit realistischen 170 Kilometern viel zu gering. Auch in Norwegen, dem Elektromobilitätsvorzeigeland, war der Stromer kaum erfolgreicher. Gerade mal 4.046 wurden seit Erscheinen des Autos abgesetzt.

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Mazda MX-30 e-Skyactiv R-EV mit Range Extender: die Japaner bleiben mit ihrer Elektromobilitäts-Politik weiterhin rätselhaft.

Nun also mit Range-Extender

Bereits 2022 sollte der MX-30 mit einem Wankel Range-Extender erscheinen. Eine Entscheidung, die man seit 2023 zumindest für Deutschland in Frage stellen muss, denn die Umweltboni für PHEVs – nichts anderes ist der gerade erschienene MX30 e-SKYACTIV R-EV – wurden ersatzlos gestrichen. Die „REX-Version“ bietet also keinen finanziellen Anreiz mehr. Und doch ist der Mazda kein typisches PHEV. Denn wie der frühere BMW i3 REX wird der Mazda ausschließlich durch den Elektromotor angetrieben. Das bedeutet: der kleine Verbrennungsmotor – im Falle des Mazdas ein Wankelmotor der neuesten Generation – füllt die Batterie auf, die die Energie für den 170 PS Elektromotor liefert.

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Warum so kompliziert?

Nun könnte man fragen, warum Mazda so kompliziert vorgeht? Warum nicht einfach eine größere Batterie einbauen und auf die Verbrennerkomponente verzichten? Tatsächlich ist die Batteriekomponente im REX mit 17,8 kWh noch kleiner, als beim reinen Stromer. Mit anderen Worten: die Batteriereichweite OHNE Zuhilfenahme des REX liegt irgendwo bei deutlich unter 100 Kilometern.

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Der Mazda MX-30E mit Wankel-Range Extender. Tolle Technologie, aber die anvisierte Zielgruppe – zumindest in Deutschland – bleibt rätselhaft.

Andere Philosophie

Mazda hat schon mit dem ursprünglichen MX-30 eine andere Philosophie vertreten. Man wolle, so erklärte man zur Einführung des MX-30, Rohstoffe sparen. Man sähe in großen LiIonen-Batteriepacks keine Lösung. Da ist was dran. Deshalb machte man auch keine Anstalten, die Batterie im kleinen Stromer bei der Modellpflege zu vergrößern. Nun also der Wankel. Der entwickelt als Einscheiben-Kreiskolben-Variante 75 PS und liegt dabei deutlich über den 34 PS des ursprünglichen BMW Zweizylinders im i3.

Andere Technologie

Zudem unterscheidet sich die Technologie des Mazda REX etwas von der des frühen BMW i3, der schon recht früh aus dem Programm genommen wurde. Tatsächlich kam die REX-Variante nicht so an wie erwartet und auch der Herstellungs- und Wartungsaufwand der REX-Version stellte sich als höher heraus. Mazda begründet den Einsatz des Wankel mit dem geringen Gewicht. Das betrüge inklusive Range Extender rund 1.780 kg, also nur 60 Kilogramm mehr, als ohne REX. Der Vergleich hinkt freilich, denn die Batterie des reinen Stromers ist weit größer.

e-engine meint: Jason Fenske von Engineering Explained geht auf die technischen Eigenheiten des Wankels ein. Die sind in der Tat faszinierend, wenn auch aus der Sicht der „reinen Elektromobilität“ irgendwie überholt. Mazda hat es geschafft, mit dem Mazda MX-30 e-Skyactiv R-EV ein weiteres Auto zu schaffen, das nur schwerlich zu begreifen ist. Tatsächlich ist der kleine Crossover auch nicht günstiger geworden. Die Preise für die REX-Version beginnen bei rund 36.000 Euro (nun ohne Umweltbonus) und kulminieren bei 45.040 Euro für die „Edition R“. Funfact: auch die „Edition R“ braucht für den Spurt von 0 auf 100 km/h 9,1 Sekunden und die Top Speed liegt weiter bei abgeregelten 140 km/h – er unterscheidet sich nur durch Ausstattung und Design.

Mazda bringt den Wankel zurück.

Revolutionäres Elektrodenmaterial für Solid State-Batterien?

Solid State Batterien – viele glauben, dass die Einführung der Festkörper-Akkus die Elektromobilität letztlich unwiderbringlich an die Pole Position katapultieren wird. Unglücklichweise bleiben die Fortschritte hinsichtlich der Technologie weiterhin nur vergleichsweise gering. Die großen Start-ups können weiterhin überwiegend nur Labormuster vorweisen. Und natürlich lässt deshalb die industrielle Einführung weiter auf sich warten. Es gibt inzwischen viele Lösungsansätze, das größte Problem der SSBs zu lösen: die Volumenänderung beim Laden und Entladen. Denn genau diese Volumenänderung zerstört die SSBs letztlich viel zu schnell.

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Schaubild von QuantumScape einem der aussichtsreichsten SSB-Start ups welweit: die typische Volumenänderung beim Laden/Entladen wird hier im Schaubild dargestellt.

Warum die SSBs so wichtig erscheinen

Während herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien einen flüssigen Elektrolyten enthalten, in dem die Lithium-Ionen während des Lade-/Entladevorgangs fließen, bestehen SSBs vollständig aus festen Materialien. Neben einer massiven Verbesserung der Betriebssicherheit – da diese Batterien beim Durchstoßen keine giftigen Flüssigkeiten freisetzen – lassen sich SSBs viel schneller aufladen.

Bisher gab es jedoch ein ungelöstes Problem bei SSBs, das ihre Haltbarkeit einschränkte. Wenn Lithiumionen in die Elektroden der Batterie eingebracht oder aus ihnen entnommen werden, verändert sich die kristalline Struktur des Materials, wodurch sich die Elektrode ausdehnt oder zusammenzieht. Diese wiederholten Volumenveränderungen beschädigen die Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem Festelektrolyten und führen zu irreversiblen Veränderungen in der Kristallchemie der Elektroden.

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Die Lithium-Ionen-Batterien in den heutigen Elektrofahrzeugen bieten nicht die erforderliche Leistung und Haltbarkeit zu einem vernünftigen Preis. Die größten Hoffnonen setzen die Autohersteller in die sogenannte Solid State Batterie. Bild: istock

Neuartiges Elektrodenmaterial mit Vanadium-Komponente

Vor diesem Hintergrund untersuchte ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Naoaki Yabuuchi von der Yokohama National University, Japan, ein neuartiges positives Elektrodenmaterial mit bisher unerreichter Stabilität in SSBs. Ihre Arbeit, die bereits Mitte Dezember 2022 in Nature Materials veröffentlicht wurde, wurde von Associate Professor Neeraj Sharma von der UNSW Sydney, Australien, und Dr. Takuhiro Miyuki von LIBTEC, Japan, mitverfasst.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf das Material Li8/7Ti2/7V4/7O2, ein sogenanntes binäres System, das aus optimierten Anteilen von Lithiumtitanat (Li2TiO3) und Lithiumvanadiumdioxid (LiVO2) besteht. Wenn dieses Material auf eine geeignete Partikelgröße in der Größenordnung von Nanometern heruntergemahlen wird, bietet es eine hohe Kapazität dank seiner großen Menge an Lithiumionen, die während des Lade-/Entladevorgangs reversibel eingefügt und entnommen werden können.

Der Vorteil: Kaum Volumenänderung

Im Gegensatz zu anderen positiven Elektrodenmaterialien hat Li8/7Ti2/7V4/7O2 eine besondere Eigenschaft, die es von anderen unterscheidet: Es hat fast das gleiche Volumen, wenn es vollständig geladen und vollständig entladen ist. Die Forscher analysierten den Ursprung dieser Eigenschaft und kamen zu dem Schluss, dass sie das Ergebnis eines ausgewogenen Gleichgewichts zwischen zwei unabhängigen Phänomenen ist, die auftreten, wenn Lithiumionen in den Kristall eingebracht oder aus ihm entnommen werden.

Einerseits führt die Entfernung von Lithiumionen, die so genannte Delithiierung, zu einer Vergrößerung des freien Volumens im Kristall, was diesen schrumpfen lässt. Andererseits wandern einige Vanadium-Ionen von ihrer ursprünglichen Position in die von den Lithium-Ionen hinterlassenen Räume und nehmen dabei eine höhere Oxidationsstufe an. Dies führt zu einer abstoßenden Wechselwirkung mit Sauerstoff, die wiederum eine Ausdehnung des Kristallgitters bewirkt.

Überlegene Zellleistung

Das Forschungsteam testete dieses neue positive Elektrodenmaterial in einer Festkörperzelle, indem es es mit einem geeigneten Festelektrolyten und einer negativen Elektrode kombinierte. Diese Zelle wies eine bemerkenswerte Kapazität von 300 mAh/g auf, die sich über 400 Lade-/Entladezyklen hinweg nicht verschlechterte.

„Die Tatsache, dass die Kapazität über 400 Zyklen hinweg nicht nachlässt, ist ein klarer Hinweis auf die überlegene Leistung dieses Materials im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperzellen mit geschichteten Materialien“, erklärt Prof. Sharma von der UNSW Australien.

e-engine meint: Bevor nun der große Jubel ausbricht. Auch hier ist die Rede nur von ersten Erfolgen. Eine industrielle Massenfertigung nach wie vor Jahre entfernt. Die Forschungen zeigen aber, dass noch lange nicht alle Möglichkeiten ausgereizt sind, um schließlich doch noch die Batterie für die 2030er-Jahre herzustellen. In dem Zusammenhang ist eine weitere Meldung interessant. Das chinesische Auto-Start-up NIO hält weiter daran fest, für seine Fahrzeuge ab Mitte 2023 eine 150 kWh-Solid State Batterie einzuführen. Mit welcher Technologie und Chemie die arbeitet, bleibt aber weiterhin im Dunkeln. Der Vorteil der NIOs jedoch ist der blitzschnelle Austausch der Packs, die genormt sind. Das bedeutet: NIO-Fahrzeuge und Fahrzeuge mit Wechselakku-Technologie sind zukunftsssicherer, als herkömmliche Elektrofahrzeuge.

Fotos: Engineering Explained (Youtube Stills), Mazda, QuantumScape, istock, Munro Live (Youtube Stills).

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