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EMBATT-goes-FAB – neue Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge

Bessere Batterien für höhere Reichweiten von Elektrofahrzeugen – dies ist der Anspruch der Technologieentwicklung „EMBATT“. Ihr Ziel ist eine größere Volumenausbeute, die zu Reichweiten von bis zu 1.000 Kilometern mit einer Ladung führen soll. Seit Mitte 2018 treibt das Konsortium die Industrialisierung der neuen Batterien voran.

Das Besondere an der EMBATT-Technologie ist die Zusammenführung von Plattform und Batterie: Bipolar aufgebaut, bestehen die Batteriezellen – ähnlich wie Brennstoffzellen – aus aufeinandergestapelten, seriell verschalteten Elektroden. „Auf einem gemeinsamen Elektrodenträger sind die Aktivmaterialien für die Kathode der Batterie und umseitig die Aktivmaterialien für die Anode aufgebracht“, erklärt Michael Clauß, Entwicklungsingenieur bei IAV. „Die einzelnen Lithium-Ionen-Zellen sind nicht mehr separat in Aluminiumgehäusen verpackt. Stattdessen bekommt nur der fertige Elektrodenstapel eine feste Umhausung.“

Dadurch fallen zahlreiche Gehäusebauteile und Verbindungselemente weg, was Kosten und Platz im Fahrzeug spart. Dieser frei gewordene Raum lässt sich mit zusätzlichem Aktivmaterial füllen – wodurch die Batterie mehr Energie speichern kann und die Reichweite des Fahrzeugs steigt. Genau darin besteht der Reiz von Lithium-Ionen-Bipolarbatterien, die bislang nur im kleineren Labor- und Technikumsmaßstab (300 x 400 [mm²]) angefertigt und untersucht wurden.

Neue Fertigungsanlage im Technikum

Das wollen IAV und seine Partner Daimler AG, thyssenkrupp System Engineering GmbH und Fraunhofer IKTS nun ändern. Seit Mitte 2018 arbeiten sie im Projekt „EMBATT-goes-FAB“ daran, die vielversprechende neue Technologie auf die nächste Reifestufe zu heben. Wurden die Batterien bisher auf kleinen Anlagen gefertigt, sollen nun im thyssenkrupp-Technikum in Pleißa bei Chemnitz größere Maschinen für die einzelnen Prozessschritte zum Einsatz kommen. „Zwei der neuen Maschinen werden in Betrieb genommen, die dritte wird Ende 2019 aufgebaut“, berichtet Clauß. „Anfang 2020 wollen wir so weit sein: Dann können wir ausgehend von den beschichteten Elektroden komplette Stacks mit mehr als zehn produzieren.“

Forscher arbeitet an Batterie für Elektrofahrzeugen
Im Projekt EMBATT-goes-FAB arbeiten die Partner an der Skalierung hin zu großflächigen, applikationstauglichen Geometrien und deren Demonstration auf Versuchsanlagen.

Auch das Format der Zellen wird größer: Die bisherigen Prototypen maßen 30 mal 40 Zentimeter, künftig sollen sie 30 mal 100 Zentimeter groß sein. Damit sind sie bereits sehr viel näher an den Abmessungen der Serienbauteile, die bei 60 mal 100 Zentimetern, 100 mal 100 Zentimetern oder sogar darüber hinaus liegen dürften. Eine große Herausforderung ist die gleichmäßige Kühlung der Zellen. „Wir müssen die Temperatur bis auf wenige Grad im optimalen Bereich halten und eine homogene Temperaturverteilung erreichen“, so Clauß. „Darum arbeiten wir daran, die Wärme von überall in den Zellen abzuführen und die Wärmekapazität der Fahrzeugplattform zu nutzen.“

Gemeinsam mit der Daimler-Vorentwicklung beschäftigen sich die IAV-Experten zudem mit der Anbindung der Batterie an das Batteriemanagementsystem. Grundlage dafür ist ein virtuelles Fahrzeug, das mit EMBATT ausgestattet ist und mit dessen Hilfe das Konzept im Detail entwickelt wird. Dabei haben die Ingenieure immer ein Ziel vor Augen: 80 Prozent Volumenausbeute als Grundlage für bis zu 1.000 Kilometer Reichweite mit einer Batterieladung.

Mit EMBATT realisieren die Partner, Fraunhofer IKTS, IAV Automotive Engineering und thyssenkrupp System Engineering die Umsetzung eines innovativen Konstruktionsprinzips großflächig, planar aufgebauter Bipolarbatterien, die direkt ins Chassis eines Elektrofahrzeugs integriert werden können.

Neben technischen Fragen beschäftigt sich IAV auch mit dem ökologischen Fußabdruck der Batterie sowie mit den späteren Kosten. „Bisher haben wir Muster aufgebaut und gezeigt, dass die Technologie funktioniert“, sagt Clauß. „Neben dem Volumen und Gewicht der Batterie entscheiden die Kosten über den Erfolg am Markt. Wir wollen zeigen, dass EMBATT neben dem Volumen- auch einen Kostenvorteil bietet.“

Interessenten für Pilotanlage gesucht

Das Projekt „EMBATT-goes-FAB“ läuft noch bis Ende 2020. Schon jetzt macht sich Clauß Gedanken über die nächsten Schritte: „Wir suchen Interessenten für den Bau einer Pilotlinie, auf der größere Zellen gefertigt werden können. Diese könnten wir in reale Fahrzeuge integrieren und so die Technologie in der Praxis testen.“ Danach könnte die Serienproduktion starten.

Die Chancen dafür stehen nicht schlecht, denn EMBATT kommt den aktuellen Trends bei Batterien entgegen: Die Zellen werden größer, und die Energie pro Zelle nimmt zu – genau das ist das Ziel des Forschungsprojektes. Zudem steigt das Interesse an Festkörperelektrolyten, etwa aus Keramik, Sulfiden oder Polymeren. Auch für sie ist EMBATT bestens geeignet.

„Wir optimieren nicht nur einzelne Komponenten, sondern verfolgen einen radikalen, disruptiven Ansatz“, fasst Clauß zusammen. „Viele OEMs und Tier-1-Zulieferer sind an unserer Arbeit interessiert.“ Und nicht nur sie: Auch für die Hersteller von Solarbatterien oder Handy-Akkus ist die neue Technologie attraktiv.


Der Artikel erschien in der automotion 02/2019, dem automotive engineering-Fachmagazin von IAV. Hier können Sie die autmotion kostenfrei bestellen.