Mehr als 1.000 Kilometer mit einer Batterieladung

IAV entwickelt eine neue Generation von Lithium-Ionen-Batterien mit planarem Aufbau

Die Batterie ist eine entscheidende Komponente für den Erfolg von E-Fahrzeugen. Darum haben sich die Hersteller ehrgeizige Ziele gesteckt: Sie wollen die Energiedichte von derzeit rund 250 Wattstunden pro Liter (Wh/l) auf 500 Wh/l verdoppeln. Gleichzeitig sollen die Herstellungskosten deutlich unter 200 Euro pro Kilowattstunde sinken. IAV arbeitet im Rahmen des Forschungsprojektes „ePadFab“ mit den Partnern ThyssenKrupp System Engineering und Fraunhofer IKTS daran, dieses Ziel zu erreichen.

Will man die Batteriekapazität und damit die Reichweite von E-Fahrzeugen steigern, bieten sich zwei Herangehensweisen an: neue Speichermaterialien mit einer höheren Energiedichte und neue Integrationskonzepte, mit denen sich mehr Speichermaterial im Auto unterbringen lässt. Die Partner des Projektes „ePadFab“ setzen vor allem auf großflächige, planar aufgebaute Lithium-Ionen-Batterien, die direkt ins Chassis des Fahrzeugs integriert werden können. Die zentrale Innovation ist ein neuartiger Aufbau der Energiespeicher: Die Batterien sollen künftig aus gestapelten Zellen bestehen, bei denen sich jeweils zwei Zellen einen elektrischen Ableiter teilen. Eine Seite dient als Anode, die andere als Kathode.

Heutige Lithiumbatterien sind anders aufgebaut. Sie bestehen aus einer gewickelten oder gestapelten Struktur, die in zylinderförmige oder prismatische Zellgehäuse eingeschoben oder in einem Pouchsack verschweißt wird. Alleine durch die einzelne Verpackung von Zellen und durch den zusätzlichen Verbau der Zellen im System sinkt die Energiedichte auf 40 bis 60 Prozent des Wertes auf Zellebene. Das führt dazu, dass heutige Batteriesysteme nur zwischen 140 und 300 Wh/l erreichen.

Anteil des aktiven Materials am Batteriesystemvolumen verdoppeln

Die Projektpartner wollen darum den Aufbau der Batteriesysteme grundlegend verändern. Der geplante planare Aufbau aus bipolaren Elektroden mit bis zu zwei Quadratmetern Fläche ermöglicht es, die konventionellen Zell- und Modulgrenzen aufzulösen und den Energiespeicher als Komponente ins Fahrzeugchassis zu integrieren. Das Konsortium nennt dieses Konzept EMBATT („Chassis-embedded Energy“). „Unser Ziel ist es vor allem, die Zell-, Modul- und Batteriegrenzen der Energiespeicher aufzulösen und so den Anteil des aktiven Speichermaterials auf 80 Prozent des Batterievolumens zu verdoppeln“, sagt Michael Clauß, Batteriesystementwickler bei IAV. „Wir wollen die Batterie in den Unterboden des Fahrzeugs integrieren. Je nach Bauraum sind aktuell Spannungen von 850 Volt und in Zukunft von bis zu 1.200 Volt möglich. Damit verbunden sind elektrische Reichweiten von bis zu 1.000 Kilometern.“

Auf dem Weg dahin sind allerdings noch zahlreiche Herausforderungen zu meistern. Dazu gehört die Herstellung der bipolaren Elektroden mit Anode und Kathode, die auf beiden Seiten mit unterschiedlichen Materialien beschichtet werden müssen. Auch das Übereinanderschichten der einzelnen Lagen ist nicht trivial. „Wir müssen den Elektrolyten in die großen Elektrodenflächen einbringen. Das ist bei circa 300 Mikrometern Zellschichtdicke ein komplexer Vorgang“, so Clauß. Die mechanische Stabilität der Batterie sollen ein Endo- und ein Exoskelett garantieren, die beispielsweise aus Aluminium, einem Verbundwerkstoff oder trivial aus Vakuum bestehen könnten. Neben dem neuartigen Aufbau des Batteriesystems setzen die Projektpartner auch auf besonders effiziente Materialien: Für die Anode kommt Lithium- Titan-Oxid zum Einsatz, für die Kathode Lithium-Nickel-Mangan-Oxid. Dadurch lässt sich eine Zellspannung von 3,2 Volt erreichen, zudem ist das Material robust gegen Überladen und verhält sich im Schadensfall weniger kritisch. Eine große Herausforderung wird es auch sein, den passenden Elektrolyten dafür zu finden.

Bündelung von Kompetenzen

Am Ende des Projektes „ePadFab“ sollen neue Fertigungsprozesse zur Verfügung stehen, mit denen sich die großformatigen EMBATT-Batterien industriell und kostengünstig produzieren lassen. IAV bringt seine komplette Entwicklungsexpertise von der Fahrzeugkonzeptionierung, Fahrzeugsicherheit, Batterieauslegung, Konstruktion bis hin zur Applikation der Steuergerätesoftware ein. Das Fraunhofer IKTS steuert sein Wissen um die Entwicklung maßgeschneiderter Materialien und spezieller Verfahren zur Elektrodenherstellung bei, während sich thyssenkrupp System Engineering vor allem mit der späteren Fertigung der Batterien beschäftigt.

Am Ende des Projektes im Jahr 2017 soll ein Demonstrator im Maßstab 1 : 5 entstehen, mit dem die Projektpartner Sicherheits- und Performance- Tests durchführen können. Die Markteinführung könnte ungefähr im Jahr 2025 erfolgen. Dabei eignet sich die EMBATT-Technologie nicht nur für Elektrofahrzeuge – sie kann auch als dezentraler Energiespeicher in Fotovoltaikanlagen eingesetzt werden. Das Projekt „ePadFab“ wird aus EFRE-Mitteln und vom Freistaat Sachsen unterstützt.