CATL erforscht Lithium-Luft-Batterien: 2.000 Kilometer Reichweite für E-Autos bleiben Forschungsziel

Größere Reichweite beginnt mit einem schwierigen Chemieproblem

CATL erforscht Lithium-Luft-Batterien mit einer theoretischen spezifischen Energie von etwa 3.505 Wattstunden pro Kilogramm. Auf dieser Grundlage beruhen Prognosen, nach denen Elektroautos mit einer Ladung 2.000 Kilometer weit fahren könnten. Chef-Wissenschaftler Wu Kai bezeichnete die Technologie beim Equipment Powerhouse Forum 2026 in Peking als künftige Forschungsrichtung. Die unmittelbare Aufgabe besteht darin, die Chemie wiederaufladbar, langlebig und für Fahrzeuge praxistauglich zu machen.

Contemporary Amperex Technology Co. Limited, der chinesische Batteriehersteller CATL, hat weder ein Serienfahrzeug mit dieser Reichweite noch einen Termin für die Markteinführung von Lithium-Luft-Batterien angekündigt. Die Angabe von 2.000 Kilometern ist eine Prognose, die auf dem Potenzial der Chemie beruht, große Energiemengen bei geringem Gewicht zu speichern.

Wu zufolge liegt die Technologie auf der Forschungsagenda des Unternehmens mehr als zehn Jahre in der Zukunft. Berichten über seine Äußerungen zufolge erreicht CATLs Laborprogramm zudem eine spezifische Energie von mehr als 1.000 Wh/kg und eine Lebensdauer von 500 Lade- und Entladezyklen. Um solche Laborfortschritte in eine vollständige Batterie zu überführen, braucht es Technik, die die Luftzufuhr steuert, reaktive Materialien schützt und die Leistung auch bei wiederholter Nutzung stabil hält.

Forschung in China und den USA macht sowohl das Potenzial als auch die Schwierigkeiten deutlich. Wissenschaftler haben in einigen Bauformen Hunderte Zyklen, in einer weiteren mindestens 1.000 Zyklen nachgewiesen. Sie untersuchen außerdem, warum feste Reaktionsprodukte die Elektroden verstopfen und weshalb Sauerstoff die Stellen, an denen Strom erzeugt wird, nur schwer erreicht.

Wie eine Batterie Sauerstoff aus der Luft nutzt

Eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie transportiert Lithium-Ionen zwischen zwei Elektroden, deren Materialien sie aufnehmen. Eine Lithium-Luft-Batterie verwendet dagegen metallisches Lithium an der negativen Elektrode und Sauerstoff als Reaktionspartner an der positiven Elektrode. Eine Elektrode ist der Teil einer Batterie, an dem eine Reaktion stattfindet, die Strom erzeugt oder speichert.

Bei einer verbreiteten Bauform reagieren Lithium und Sauerstoff während der Entladung zu Lithiumperoxid, das sich in einer porösen positiven Elektrode bildet. Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis und liefern Strom. Beim Laden soll sich dieser Vorgang umkehren: Das Lithiumperoxid wird zersetzt, Sauerstoff freigesetzt und metallisches Lithium wiederhergestellt.

Weil der Sauerstoff von außerhalb der Zelle kommt, muss sie nicht von Anfang an ein herkömmliches positives Elektrodenmaterial mit allen Reaktionspartnern mitführen. Das verleiht der Lithium-Luft-Chemie ihre ungewöhnlich hohe theoretische spezifische Energie. Der Nachteil: Eine Batterie, die Luft ansaugt, muss auch Gase und Feuchtigkeit handhaben, die bei einer herkömmlichen, geschlossenen Zelle draußen bleiben.

Forscher untersuchen mehrere Varianten dieser Chemie. Einige verwenden flüssige Elektrolyte, also Materialien, die Ionen zwischen den Elektroden transportieren. Andere setzen auf Gele oder Feststoffe. Reaktionsprodukte und Betriebsbedingungen können sich unterscheiden, was beim Vergleich der Leistung eine Rolle spielt.

Warum sowohl 3.505 als auch 12.000 Wh/kg genannt werden

Die häufig genannte Angabe von 3.505 Wh/kg beruht auf der theoretischen Lithiumperoxid-Reaktion und berücksichtigt die Masse des Sauerstoffs als Reaktionspartner. Bei Angaben von bis zu 12.000 Wh/kg wird die Sauerstoffmasse aus der Berechnung herausgelassen. Die höhere Zahl beruht somit auf einer anderen Berechnungsgrundlage.

Eine vollständige Batterie umfasst außerdem Elektrolyt, Elektrodenstrukturen, Separatoren, Schutzkomponenten und Technik zur Steuerung der Luftzufuhr. Eine Fahrzeugbatterie benötigt zudem Anschlüsse, ein Gehäuse und ein Temperaturmanagement. Jede Komponente erhöht das Gewicht oder beansprucht Platz und senkt so die Energiemenge pro Kilogramm des fertigen Systems.

Zum Vergleich: In der Forschungsliteratur werden herkömmliche Lithium-Ionen-Zellen meist mit etwa 200 bis 300 Wh/kg angegeben; einige fortgeschrittene Bauformen erreichen rund 350 Wh/kg. 3.505 geteilt durch 350 ergibt etwa zehn. Die praktische Herausforderung besteht darin, nach dem Einbau der nötigen Technik einen ausreichenden Teil des chemischen Vorteils zu erhalten.

Die Aussage, Lithium-Luft-Batterien böten die fünffache spezifische Energie von Festkörperbatterien, beruht auf einem Vergleich von rund 3.500 Wh/kg mit einem theoretischen Wert von 700 Wh/kg für Festkörperbatterien. Für Autofahrer wäre ein aussagekräftiger Vergleich nur möglich, wenn vollständige Batterien unter vergleichbaren Bedingungen gemessen würden, unter anderem hinsichtlich nutzbarer Kapazität, Leistung und Lebensdauer.

Was die Laborergebnisse tatsächlich messen

Forscher der Jilin-Universität und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften berichteten in einer 2024 in Advanced Energy Materials veröffentlichten Studie über eine Lithium-Luft-Pouchzelle mit 757,5 Wh/kg. Bei ihrem Aufbau wurde ein Polymerelektrolyt im Inneren der Zelle zu einem Gel. Zudem wiesen sie unter festgelegten Bedingungen 241 Zyklen im Labor nach: bei 500 Milliampere pro Gramm und einer Kapazitätsgrenze von 1.000 Milliamperestunden pro Gramm.

Diese Betriebsbedingungen sind wichtig, denn bei einem Zyklus kann nur ein Teil der möglichen Zellkapazität genutzt werden. Eine Zyklenzahl lässt sich besser einordnen, wenn auch bekannt ist, wie tief die Zelle entladen wurde, wie schnell sie betrieben wurde und wie viel Kapazität erhalten blieb.

Forscher des Illinois Institute of Technology und des Argonne National Laboratory beschrieben 2023 in Science einen anderen Ansatz. Ihr Festkörperdesign für eine Lithium-Luft-Batterie absolvierte bei Raumtemperatur mindestens 1.000 Zyklen. Es beruhte auf einer Reaktion, bei der Lithiumoxid entsteht, und nicht auf dem Lithiumperoxid der verbreiteteren Bauform.

In einigen Darstellungen wird ein Ergebnis von Argonne und Illinois Tech auf das Jahr 2025 datiert und 1.200 Wh/kg als erreichte Prototypenleistung angegeben. In der Science-Studie von 2023 wurde dieser Wert als theoretisches Potenzial beschrieben. Nachgewiesen wurde die Zyklenfestigkeit der experimentellen Bauweise.

Die für CATL berichteten Laborwerte, das Ergebnis mit der Pouchzelle und das US-amerikanische Festkörperexperiment beantworten daher unterschiedliche Fragen. Zusammengenommen zeigen sie, dass Forscher an leichteren Energiespeichern arbeiten und zugleich vor der gesonderten Aufgabe stehen, die Funktionsfähigkeit einer Batterie über wiederholte Ladevorgänge hinweg zu erhalten.

Eine Forschungsgeschichte, die bis 2009 zurückreicht

Das Interesse der Autoindustrie an Lithium-Luft-Batterien reicht weit vor CATLs jüngste Äußerungen zurück. Die Forschungsgeschichte umfasst ambitionierte Reichweitenziele, Versuche mit Festkörperelektrolyten und detaillierte Untersuchungen der Reaktionen in Elektroden.

• 2009: IBM startete sein Projekt Battery 500 mit dem Ziel, eine Elektrofahrzeugbatterie zu entwickeln, die eine Reichweite von 500 Meilen, etwa 805 km, pro Ladung ermöglicht.
• 2023: Forscher von Illinois Tech und Argonne veröffentlichten ihre Studie zu Festkörper-Lithium-Luft-Batterien in Science. Sie berichteten von mindestens 1.000 Zyklen bei Raumtemperatur.
• 2024: Eine Studie in Advanced Energy Materials berichtete über eine Lithium-Luft-Pouchzelle mit 757,5 Wh/kg und 241 Zyklen unter festgelegten Laborbedingungen.
• 2025: Forscher der University of Science and Technology of China untersuchten den Sauerstofftransport und Reaktionspfade in dicken Elektroden.
• 2026: Wu bezeichnete Lithium-Luft-Batterien beim Equipment Powerhouse Forum als langfristige Forschungsrichtung für CATL.

Aus IBMs Programm ging keine kommerziell erhältliche Autobatterie hervor. Die späteren Studien konzentrierten sich auf bestimmte Hindernisse innerhalb der Chemie, darunter die Stabilität des Elektrolyts, die Sauerstoffzufuhr und die Bildung fester Reaktionsprodukte.

Die Luftzufuhr wird Teil der Batterie

Außenluft enthält neben Sauerstoff auch Wasserdampf und Kohlendioxid. Feuchtigkeit kann mit metallischem Lithium reagieren, während Kohlendioxid Lithiumcarbonat bilden kann. Unerwünschte Reaktionen verbrauchen nutzbare Materialien und hinterlassen Ablagerungen, die die Leistung mindern.

Ein praxistaugliches Lithium-Luft-System bräuchte deshalb eine kontrollierte Luftzufuhr, Filter und ein Feuchtigkeitsmanagement. Je nach Bauweise wären möglicherweise auch Pumpen, Lüfter oder andere Komponenten nötig, um Gase durch die Batterie zu bewegen. Diese Bauteile beanspruchen Platz und verbrauchen einen Teil des von der Batterie erzeugten Stroms.

Eine Studie aus dem Jahr 2023 im Journal of Energy Storage schätzte, dass die Hilfstechnik in der vorgeschlagenen Fahrzeugkonfiguration 5,4 Prozent der Batterieleistung verbrauchen würde. Bei einer Batterieleistung von 100 Einheiten würden demnach 5,4 Einheiten auf das Hilfssystem entfallen. Die Schätzung gilt für diesen konkreten Entwurf; andere Bauweisen hätten andere Anforderungen.

In der positiven Elektrode kann Lithiumperoxid nach und nach die Poren füllen, die der Sauerstoff für seine Bewegung benötigt. Der Vorgang ähnelt einem porösen Schwamm, der sich mit Feststoffen füllt: Je weniger freier Raum bleibt, desto weniger Wege stehen dem Sauerstoff offen und desto weniger Platz gibt es für weitere Reaktionsprodukte.

Professor Peng Tan und Kollegen von der University of Science and Technology of China haben untersucht, wie sich der Sauerstofftransport auf Reaktionen in dicken Elektroden auswirkt. Ihre Arbeit von 2025 befasste sich damit, wie sich der Widerstand gegen die Bewegung von Stoffen je nach Position auf die Reaktionspfade auswirkt. Verwandte Arbeiten untersuchten, wie sich durch eine Anpassung der Lithium-Ionen-Konzentration die Entladekapazität verbessern lässt, indem sich verändert, an welchen Stellen Lithiumperoxid entsteht.

Beim Laden muss die Chemie wiederholt zurückgeführt werden

Beim Laden müssen die Entladeprodukte von der positiven Elektrode entfernt und die negative Lithiumelektrode wieder aufgebaut werden. Nebenreaktionen können den Elektrolyten und andere Komponenten schädigen und so nach und nach die speicherbare Energiemenge verringern.

Metallisches Lithium bringt eine weitere Schwierigkeit mit sich. Bei wiederholter Abscheidung während des Ladens können ungleichmäßige Strukturen entstehen, darunter nadelartige Auswüchse, sogenannte Dendriten. Wachsen sie durch den Separator zwischen den Elektroden, können sie einen Kurzschluss verursachen. Forscher müssen diesen Vorgang kontrollieren und zugleich eine brauchbare Ladegeschwindigkeit und Kapazität erhalten.

Auch die Energieeffizienz ist für den Alltag wichtig. Der Wirkungsgrad des Lade-Entlade-Zyklus gibt an, welcher Anteil des in eine Batterie eingespeisten Stroms später wieder entnommen werden kann. Für einige Lithium-Luft-Bauformen wurden Werte von unter 70 Prozent angegeben, verglichen mit mehr als 95 Prozent bei Lithium-Ionen-Batterien. Die Werte variieren je nach Bauform und Bedingungen. Sie zeigen aber, warum eine höhere Energiemenge pro Kilogramm nur einen Teil der technischen Herausforderung ausmacht.

Bei einem Wirkungsgrad von 70 Prozent müssen 100 Einheiten Energie zugeführt werden, um 70 Einheiten elektrische Energie zurückzugewinnen. Die beim Laden und Entladen verlorene Energie kann in Wärme übergehen und so den Kühlbedarf und den Stromverbrauch erhöhen. Eine verbesserte Umkehrbarkeit der Reaktionen würde daher gleichzeitig die Lebensdauer, die Ladekosten und die Temperaturregelung verbessern.

Was ein Auto mit 2.000 Kilometern Reichweite bräuchte

Die Reichweite eines Fahrzeugs hängt von der nutzbaren Batterieenergie und seinem Stromverbrauch pro Kilometer ab. Das Batteriegewicht spielt eine Rolle, ebenso aber Fahrzeuggröße, Geschwindigkeit, Aerodynamik, Temperatur und der Energiebedarf für Kühlung, Heizung und Luftmanagement.

Die spezifische Energie beschreibt die speicherbare Energiemenge pro Kilogramm. Die volumetrische Energiedichte gibt an, wie viel Energie sich in einem bestimmten Volumen speichern lässt. Die Leistung beschreibt, wie schnell die Batterie Strom bereitstellen kann. Ein Pkw braucht von allem genug, damit die Batterie in das dafür vorgesehene Gehäuse passt, eine brauchbare Reichweite ermöglicht und Beschleunigung oder längere Fahrten mit hohem Leistungsbedarf bewältigt.

Eine Lithium-Luft-Zelle könnte Gewichtsvorteile bieten, zugleich aber zusätzlichen Platz für Gaskanäle und Aufbereitungstechnik erfordern. Die Ingenieure müssen außerdem sicherstellen, dass auch bei steigender Stromnachfrage genügend Sauerstoff fließt. Um eine Reichweitenprognose mit bestehenden Autos vergleichen zu können, braucht es daher ein klar definiertes Fahrzeug, eine vollständige Batteriekonstruktion und einen Fahrtest.

Ein Batteriewechsel würde verändern, wie Akkupakete geladen, gewartet und zwischen Fahrzeugen ausgetauscht werden. Die zugrunde liegende Chemie müsste dennoch gelöst werden, um Kapazitätsverluste durch den Abbau des Elektrolyten oder irreversible Ablagerungen rückgängig zu machen. Auch eine Flotte austauschbarer Akkupakete wäre von diesen Kosten für die Lebensdauer betroffen.

Wo CATL die Technologie einordnet

Zu CATLs näheren Prioritäten gehören Natrium-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien. Berichten über Wus Äußerungen von 2026 zufolge ist eine groß angelegte Produktion von Natrium-Ionen-Batterien im Laufe des Jahres 2026 vorgesehen. Kleine Produktionsserien von Festkörperbatterien könnten 2027 folgen. Die Lithium-Luft-Forschung ordnete er einem Zeitraum von mehr als zehn Jahren zu.

„Festkörper“ und „Lithium-Luft“ beschreiben unterschiedliche Aspekte einer Batterie. Festkörper bezieht sich auf den Elektrolyten, Lithium-Luft auf die Reaktion mit Lithium und Sauerstoff. Beides lässt sich kombinieren, wie das Experiment von Argonne und Illinois Tech mit einem zusammengesetzten Festkörperelektrolyten aus lithiumhaltigen Nanopartikeln in einem Polymer zeigte.

Auch schwere Fahrzeuge und Speicher für Solar- und Windstrom wurden als mögliche Einsatzgebiete genannt. Für jedes davon wäre eine andere Balance zwischen Gewicht, Platz, Effizienz, Kosten und Betriebsdauer nötig. Erste Anwendungen in spezialisierten Bereichen könnten früher kommen als der breite Einsatz in Pkw. Schätzungen von fünf bis zehn Jahren bleiben jedoch Prognosen.

Für Autofahrer ist die konkrete Entwicklung, dass ein großer Batteriehersteller seine langfristige Forschung auf eine Chemie mit erheblichem Potenzial zur Gewichtsreduzierung bei Energiespeichern ausrichtet. Im Mittelpunkt steht nun die Aufgabe, Sauerstoffzufuhr, Ladeeffizienz und Materialstabilität in einem vollständigen System miteinander in Einklang zu bringen.

Die wichtigsten Punkte

• CATLs Chef-Wissenschaftler Wu Kai bezeichnete Lithium-Luft-Batterien bei einem Forum in Peking 2026 als langfristige Forschungsrichtung.
• Die prognostizierte Reichweite von 2.000 Kilometern beruht auf dem Energiespeicherpotenzial und nicht auf einem Test mit einem Serienfahrzeug.
• Die theoretischen Angaben von 3.505 und fast 12.000 Wh/kg beruhen auf unterschiedlichen Annahmen dazu, ob die Sauerstoffmasse mitgerechnet wird.
• Laborstudien haben bei spezifischer Energie und Zyklenfestigkeit Fortschritte gezeigt, allerdings mit unterschiedlichen Bauformen und Testbedingungen.
• Luftfilterung, Ablagerungen in den Elektroden, Lithiumstabilität und Energieverluste bleiben zentrale technische Herausforderungen.
• CATL hat keinen Termin für die Markteinführung einer Lithium-Luft-Fahrzeugbatterie angekündigt.