Elektro-Mobilität braucht neue Batterien
Mobilität

E-Mobilität und neue Batterien

Der Bestand an Elektroautos wuchs im Laufe 2018 weltweit um 64 Prozent auf 5,6 Millionen Fahrzeuge. Im Fokus des Interesses stehen neben Design und Komfort meist die Reichweite und somit die Batterie. Weltweit wird momentan an neuen, effizienteren Batteriesystemen gearbeitet. Sie sollen den Fahrzeugen mehr Dynamik und Sicherheit bringen und sie gleichsam leichter machen.

Rudolf BolligerRudolf Bolliger5 min

Je nach Modell stecken in Elektroautos Hunderte separate Batteriezellen. Jede einzelne ist von einem Gehäuse umhüllt. Über Anschlüsse und Leitungen werden sie zu Paketen zusammengefasst, von Sensoren überwacht und mit dem Auto verbunden. Die Zellen lassen sich so nicht beliebig dicht aneinander packen. Gehäuse und Kontaktierung nehmen mehr als die Hälfte des Raums ein. Um Energiemengen von 40 bis 60 kWh zu speichern, wie sie grössere E-Autos benötigen, werden Batteriemodule mit einem Gewicht von rund 320 bis 480 kg benötigt.
An den Zellenanschlüssen entstehen zudem elektrische Widerstände, welche die Leistung reduzieren. Die zu erzielende Reichweite eines Elektrofahrzeugs hängt von der Speicherkapazität ab. Diese beeinflusst das Fahrzeuggewicht und den Preis massgeblich. Momentan ist immer noch die Batterie das Teuerste am Elektroauto. Beim E-Smart etwa macht allein das Batteriesystem zirka ein Drittel des Fahrzeugpreises aus. 
Derzeit haben Elektroautos Reichweiten von etwa 200 km je nach Modell und benötigen Ladezeiten von 2 bis 4 Stunden an öffentlichen Ladesäulen. An den Kennwerten der Batterien wird zurzeit gearbeitet und optimiert. Die Forschungsbestrebungen setzen an verschieden Stellen an und gehen in unterschiedliche Richtungen. Einige Entwicklungen zielen darauf ab, die flüssigen Elektrolyte zu beseitigen. Andere setzen auf alternative Rohstoffe. Allen gemeinsam ist Kapazität, Reichweite, Gewicht und Sicherheit zu verbessern. 

Kürzere Ladezyklen dank gestapelter Bauweise

Als innovativer Ansatz gilt derzeit die Bipolar-Batterie. Das Fraunhofer IKTS in Dresden und seine Partner haben unter dem Markennamen «Embatt» das Bipolar-Prinzip auf die Lithium-Batterie übertragen. Das Prinzip ist von der Brennstoffzelle her bekannt. 
Bei Bipolar-Batterien sind einzelne Zellen nicht mehr kleinteilig getrennt nebeneinander aufgereiht. Die Zellen sind grossflächig direkt übereinander gestapelt. Der gesamte Aufbau für Gehäuse und Kontaktierung fällt somit weg und mehr Batterien passen ins Auto.
Ausserdem fliesst durch die direkte Verbindung der Zellen im Stapel der Strom über die gesamte Fläche der Batterie. Dies reduziert den elektrischen Widerstand erheblich. Die Elektroden der Batterie sind zudem so konstruiert, dass sie Energie sehr schnell abgeben und wieder aufnehmen können. Das neue Packaging-Konzept soll mittelfristig die Reichweite von Elektroautos auf bis zu 1000 Kilometer steigern.
 

Festkörperbatterien für mehr Sicherheit

Ein dreijähriges gemeinsames Forschungsprojekt haben das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg und die Empa in Dübendorf Anfang Januar 2019 gestartet. Ziel des Projekts IE4B (Interface Engineering for Safe and Sustainable High-Performance Batteries) ist eine produktionstaugliche nächste Generation von Antriebsbatterien. Diese sollen nur noch aus Feststoffen bestehen. Derartige Batteriezellen kommen ohne brennbare flüssige Elektrolyte aus. Vorteile bei Gewicht und Baugrösse ergeben sich, weil eine weniger aufwändige Sicherheitskapselung notwendig ist.
Bei der Empa liegen die Schwerpunkte in der Entwicklung von Festkörperelektrolyten. Das Fraunhofer ISC steuert sein Know-how in der Verfahrensentwicklung und Batteriezellproduktion bei und fertigt erste Prototypen.

Ziel industrielle Fertigung

Am IE4B-Projekt beteiligten sich von Anfang an auch Industrieunternehmen aus Deutschland und der Schweiz, die das Projekt unter industriellen Aspekten begleiten. Es handelt sich unter anderem um Firmen aus der chemischen Industrie wie Heraeus (D), dem Maschinenbau wie die Bühler Gruppe (CH) oder Applied Materials (US/D), Hersteller von Batteriezellen wie Varta (D) sowie Technologieunternehmen wie ABB (CH). Die Projektpartner streben an, die wichtigsten technologischen Barrieren für eine industrielle Fertigung der Festkörperbatteriezellen zu beseitigen.
Im Labor bereits gut untersucht sind einzelne Komponenten wie Anoden, Kathoden oder Elektrolyte künftiger Festkörperbatterien. Die grösste Herausforderung besteht darin, diese zu einem stabilen Gesamtsystem zusammenzuführen. Dabei wird angestrebt, eine lange Lebensdauer bei hoher Leistung zu erreichen. Das weitere Ziel sind möglichst viele Lade- und Entladezyklen, um heute übliche Batteriesysteme in ihrer Leistungsfähigkeit zu überflügeln.
Anforderungen an die neue Festkörperbatterie sind ein stabiler Lade- und Entladezyklus bei Raumtemperatur und dass sie sich zügig aufladen lässt. Das Projekt ist in zwei Phasen unterteilt: Die erste Phase behandelt grundlegende Aspekte. Ausgangspunkt sind Batterie-Modellsysteme, die mit Dünnschichtmethoden an der Empa und am ISC hergestellt werden. In dieser ersten Phase will man die an den Grenzflächen zwischen Kathode, Festkörperelektrolyt und Anode ablaufenden Prozesse genau verstehen und besser kontrollieren können. Die zweite Phase nutzt dieses Wissen, um mit der verfahrenstechnischen Expertise des Fraunhofer ISC eine funktionsfähige Festkörperzelle herzustellen und in einer Kleinserie zu produzieren.

Batterien aus günstigen Materialien

Im Gespräch sind heute auch Magnesium-Schwefel-Batterien. Dies aus zweierlei Gründen: Erstens sind die Rohstoffe für die Elektroden reichlich zu günstigen Preisen verfügbar. Zweitens liesse sich mit dieser Technik theoretisch doppelt so viel Energie speichern wie mit Lithium-Ionen-Batterien. Jedoch stehen die Entwicklungen auf diesem Gebiet erst am Anfang. Derzeit fehlt es an geeigneten Elektrolyten für Magnesium. Erst wenn diese verfügbar sind, lassen sich Batterien mit hoher Speicherkapazität und Leistungsdichte bauen. Im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Akkus können Magnesium-Akkus nicht explodieren und die Wahrscheinlichkeit, dass sie brennen, ist gering. Derzeit ist ihre Fähigkeit, Energie zu speichern, aber noch begrenzt.

Lebensdauer aktueller Batteriesysteme

Experten veranschlagen die Lebensdauer heute handelsüblicher Batterien mit rund zehn Jahren. Vorausgesetzt, der Akku wird stets bei definierten Temperaturen betrieben. So kann beim Aufladen entstehende Hitze der Batterie dauerhaft zusetzen. Idealerweise liegt die Temperatur zwischen 25 bis 45 °C. Zudem ist die Haltbarkeit davon abhängig, wie häufig und intensiv auf- und entladen wird. Deshalb werden Batterien in Elektrofahrzeugen nur bis auf etwa 20 Prozent ihrer Kapazität entladen. So sind mehrere Tausend Lade- und Entladezyklen möglich, bevor die Leistung nennenswert abfällt. Fachleute gehen davon aus, dass Lithium-Ionen-Batterien nach etwa 1000 Ladevorgängen ausgewechselt werden müssen. Rechnet man mit einer Reichweite von 100 km je Aufladung, hält ein Akku somit rund 100 000 km lang. Je nach Nutzungsintensität des Fahrzeugs bedeutet dies eine Haltbarkeit von etwa fünf bis zehn Jahren.

In der Schweiz hat die Elektromobilität noch einen schweren Stand. Aktuell liegt der Anteil von Neuzulassungen bei Hybridfahrzeugen und reinen Elektromobilen in der Schweiz bei 3,2 %. Und trotz allen Aufwärtstendenzen in diesem Bereich sind lediglich etwas über 1,5  % der neu zugelassenen Autos rein elektrisch unterwegs.

Die weltweite Produktion hochmoderner Lithium-Ionen-Batteriezellen liegt heute grösstenteils in den Händen asiatischer Unternehmen. Das benötigte Kobalt stammt mehrheitlich aus dem Kongo, wo der Abbau auch ein Umweltproblem verursacht. Betrachtet man die globalen Kobaltvorkommen, ist die flächendeckende Einführung der Elektromobilität nur auf Basis der heutigen Technik wohl kaum zu schaffen. Der angestrebte Umstieg vom Verbrennungsmotor auf Elektroantrieb ist mit Abhängigkeiten und Engpässen verbunden. Das Beherrschen der Batterieherstellung wird für die Automobilindustrie somit zu einer Schlüsseltechnologie.

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