Nächste Etappe auf dem Weg zu mehr als 500 Kilometer elektrischer Reichweite

Die Technologie EMBATT hat einen wichtigen Meilenstein geschafft: Mehrere Funktionsmuster aus zehn Zellen zeigen gute Performance. Im nächsten Schritt untersuchen die IAV-Experten neue Durchlass- und Elektrodenmaterialien, die kostengünstiger und nachhaltiger sind.

EMBATT hat ein ehrgeiziges Ziel: Gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft arbeitet IAV an der Technologie daran, die Energiedichte von Traktionsbatterien von derzeit rund 250 Wattstunden pro Liter (Wh/l) auf 500 Wh/l zu verdoppeln. Gleichzeitig sollen die Herstellungskosten auf Batteriesystemebene deutlich unter 200 Euro pro Kilowattstunde liegen. Am Ende könnten bezahlbare, elektrische Reichweiten von mehr als 500 Kilometern stehen – ein echter Durchbruch für die Elektromobilität, bei der die Reichweite und Kosten immer noch kritische Faktoren sind.

Ende 2017 hat das Projekt einen wichtigen Meilenstein geschafft: Funktionsmuster aus zehn bipolar gestapelten Zellen im Format 200 mal 300 Millimeter liefern wie geplant eine Spannung von 30 Volt und haben bereits 100 Ladezyklen absolviert. Sie wurden zum Großteil von IAV aufgebaut: „Wir haben die von unseren Projektpartnern zugelieferten Elektroden unter anderem zugeschnitten, gestapelt und abgedichtet“, berichtet Michael Clauß, EMBATT-Projektleiter bei IAV. „Außerdem haben wir die Kontakte angebracht und den Elektrolyten hinzugefügt.“

Die erfolgreichen Tests der ersten Funktionsmuster lieferten wichtige Anhaltspunkte für die anderen Projektpartner. „Bei der Anlagenentwicklung für EMBATT sind noch viele Fragen zu klären“, so Clauß. „Mit unseren Erkenntnissen aus der Vorentwicklung helfen wir den Kollegen, die sich mit Material- und Fertigungsfragen beschäftigen.“ Zudem sind die Funktionsmuster die erste EMBATT- Hardware, die bei Kundenpräsentationen gezeigt werden kann.

Bis Mitte des Jahres wird IAV weitere Funktionsmuster aus bis zu 14 Zellen im Format 300 mal 400 Millimeter aufbauen. Zudem sollen die Batteriezellen weiterentwickelt werden: Statt der derzeit eingesetzten Elektrodenmaterialien Lithiumtitanat (Li4Ti5O12) für die Anode und Lithium- Nickel-Mangan-Oxid (LiNi0,5Mn1,5O4) für die Katode sollen Grafit und Lithium-Nickelautomotion-Mangan-Cobalt-Oxid (LiNixMnyCozO2) zum Einsatz kommen. Die Energiedichte von Grafit (372 mAh pro Gramm) ist mehr als doppelt so hoch wie bei LTO (170 mAh pro Gramm). Außerdem ist die Kombination Grafit-NMC unter Kostenund Nachhaltigkeitsgesichtspunkten besser als die Kombination LTO-LNMO (siehe auch den Artikel auf Seite 16). „Das liegt daran, dass für die Herstellung der keramischen Materialien LTO und LNMO viel Energie benötigt wird und dabei eine große Menge CO2 entsteht“, so Clauß. „Grafit ist im Gegensatz dazu gut verfügbar. Der Anteil des Kobalts in NMC liegt bei nur rund zehn Prozent und soll weiter reduziert werden. Das Life-Cycle-Assessment spricht darum eindeutig für die neue Variante.“

Allerdings müssen die Ingenieure dann ein neues Durchleitermaterial einsetzen, auf dessen beiden Seiten die Elektroden aus Grafit bzw. NMC aufgebracht werden können. „Das bisher verwendete Aluminium eignet sich nicht dafür, da es mit Grafit reagiert“, erklärt Clauß. „Wir arbeiten darum an einer Kombination aus Kupfer als Substrat für das Grafit und Aluminium als Substrat für NMC.“ Sobald die ersten Zellen mit den neuen Materialien verfügbar sind (voraussichtlich noch 2018), stehen umfangreiche Tests auf dem Programm – unter anderem zum Zellaufbau und zur Zellsicherheit. Darüber hinaus muss noch geklärt werden, wie sich die Kupfer-Aluminium-Kombination großtechnisch herstellen lässt.

Der erste Serieneinsatz für EMBATT ist für 2025 geplant, und bereits 2021 soll ein erster großflächiger Prototyp (1000 x 300 Millimeter) mit der neuen Technologie zur Verfügung stehen. Schon heute profitieren IAV-Kunden von dem Projekt – denn die Arbeit an EMBATT bringt viele IAV-Bereiche zusammen, zum Beispiel Experten für Technologiebewertung, Konstruktion, Simulation und Versuch. „Wir konnten viel Wissen über die Batteriesystementwicklung aufbauen, das in zukünftige Kundenprojekte einfließen wird“, berichtet Clauß. „Wir sind dadurch in der Lage, auch andere Technologien detailliert zu bewerten – etwa neue Konzepte für Rundzellen in Traktionsbatterien.“

An EMBATT sind neben IAV das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und thyssenkrupp System Engineering beteiligt. Die Technologie wird von der Europäischen Union (EFRE) und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Kern des EMBATT-Ansatzes ist ein Konstruktionsprinzip, das für Brennstoffzellen bereits etabliert ist und nun auf Lithium-Ionen-Batterien übertragen wird. Die Basis bilden gestapelte großflächige Elektroden in bipolarem Schichtaufbau. Die EMBATT- Bipolarbatterie besteht aus Zellen, die in einer Stackbauweise derart gestapelt sind, dass der Ableiter der negativen Elektrode einer Zelle die Kontaktierung der positiven Elektrode der nächsten Zelle darstellt. Damit teilen sich zwei in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen die Ableiter – eine Seite der Bipolarelektrode dient als Anode in einer Zelle und die andere Seite als Kathode in der nächsten Zelle. Je größer und dicker die Elektroden sind, desto höher ist die Kapazität der Batterie.

Diese Stapelstruktur erzielt eine variable Systemspannung sowie hervorragende Leistungsparameter. Direkt ins Chassis eines Fahrzeugs integriert, ermöglicht der Aufbau der Bipolarbatterie EMBATT durch verringerte Systemkomplexität und den Einsatz moderner Aktivmaterialien, wesentlich mehr elektrische Energie an Bord mitzuführen. Entscheidend dafür ist die Stapelbauweise aus großflächigen Bipolarelektroden, die es erlaubt, mehr speicheraktive Masse in ein Batteriesystem zu integrieren. Elektrofahrzeuge mit einer Reichweite von mehr als 500 Kilometer könnten somit bald den alltäglichen Straßenverkehr bereichern.

Kontakt:
www.embatt.de