Batterien für die Mobilität von morgen

Mehr Reichweite, Dynamik und Sicherheit dank neuer Batterien

Egal, wie man zu Elektroautos steht und welchen Studien man glaubt, Tatsache ist, dass weltweit an neuen, effizienteren Batteriesystemen gearbeitet wird.

Bei Elektrofahrzeugen sollen einerseits die Dynamik und die Reichweiten steigen. Andererseits gilt es, Rohstoffengpässe zu vermeiden. In Elektroautos stecken je nach Modell 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 Batterie ist das Teuerste am Elektroauto. Beim E-Smart etwa macht nur schon das Batteriesystem rund ein Drittel des Fahrzeugpreises aus. 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.

Optimierungsansätze bei Batteriesystemen

An allen Kennwerten inklusive Reichweiten von derzeit etwa 200 km je nach Modell und Ladezeiten von 2 bis 4 Stunden an öffentlichen Ladesäulen will man arbeiten und optimieren. Die Ansätze gehen in unterschiedliche Richtungen und setzen an verschieden Stellen an. Einige Entwicklungen zielen darauf ab, die flüssigen Elektrolyte zu beseitigen. Andere setzen auf alternative Rohstoffe. Allen gemeinsam ist eine Optimierung von Kapazität, Reichweite, Gewicht und Sicherheit.

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.

Gestapelte Bauweise für schnelle Ladezyklen

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 die sonst notwendigen elektrischen Kontakte fallen 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.

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Mehr Sicherheit mit Festkörperbatterien

Die Empa in Dübendorf und das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg haben Anfang Januar 2019 ein dreijähriges gemeinsames Forschungsprojekt gestartet.  Ziel ist es, die Basis für eine produktionstaugliche nächste Generation von Antriebsbatterien für Elektroautos zu legen.

Anders als heute gebräuchliche Lithium-Ionen-Zellen sollen diese nur noch aus Feststoffen bestehen. Derartige Batteriezellen kommen ohne brennbare flüssige Elektrolyte aus. Sie bringen damit eine deutlich verbesserte Betriebssicherheit. Vorteile bei Baugrösse und Gewicht 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.

Elektromobilität und Rohstoffe

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 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. Nicht zuletzt aufgrund der Rohstoffproblematik wird zurzeit intensiv an ressourcen- und umweltschonenderen Möglichkeiten zur Herstellung neuer Batterien geforscht. Aber nicht nur Batterien beziehungsweise Elektroautos stehen im Fokus. Entwickelt werden auch Herstellungsverfahren für neue Treibstoffe. Daneben versucht man, die Effizienz bekannter Antriebskonzepte weiter zu steigern. Die Zukunft dürfte somit geprägt sein von einem Nebeneinander sich ergänzender Varianten der Fahrzeugtechnik.

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Günstigere Materialien als Basis

Im Gespräch sind 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. Vor allem fehlt es an geeigneten Elektrolyten für Magnesium.

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