Lithium-Ionen-Batterien in Stackbauweise für E-Autos

Eine neuartige Batterie-Bauweise für Elektroautos soll mehr Kapazität, weniger Verlust und kürzere Ladezeiten bringen. Dazu wollen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts, ThyssenKrupp System Engineering und IAV Automotive Engineering die erprobten Vorteile eines Brennstoffzellenstacks auf den Aufbau der Stromspeicher übertragen. Angestrebt werden 1000 Kilometer Reichweite.

Es klingt fast zu einfach, aber offensichtlich sind alle Hersteller bei der Entwicklung von E-Autos so unter Zeitdruck, dass sie noch nicht in die Entwicklung effizienter Zellen einsteigen konnten. Daher arbeiten eigentlich alle mit Stromspeichern aus Zellen, die eigentlich für ganz andere Anwendungen entwickelt wurden – das prominenteste Beispiel sind sicher die Notebookakkus, die Tesla Motors für die E-Mobilität gewissermaßen missbraucht. Ihr Vorteil ist ganz klar der Skaleneffekt: Sie sind anwendungsreif zu Ende entwickelt und werden in so großer Stückzahl produziert, dass sie die günstigste erprobte Technologie am Markt sind.

Viel hilft nicht immer viel

Ihr Nachteil liegt ebenso klar auf der Hand: Sie wurden für Geräte mit einem typischen Verbrauch von wenigen Watt konstruiert. Tesla Motors, die ihre kompletten E-Auto-Antriebe inklusive Batterien auch an Daimler für die B-Klasse Electric Drive verkaufen, verwendet daher pro Auto tausende Lithium-Ionen-Rundzellen in Form von Zylinderchen mit 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge. Sie sind ein branchenübergreifendes Standardbauteil und kosten im Großhandel rund 190 Euro pro kWh. Der Hauptgrund für Tesla, eine Gigafactory zu bauen, in der die Weltproduktion dieser Teile noch deutlich gesteigert wird, ist es, den Preis auf unter 130 Euro pro kWh zu drücken. Damit wären die E-Autos kostenmäßig wettbewerbsfähig mit konventionell angetriebenen Pkw.

Aus technischer Sicht spricht allerdings viel dagegen, diese Bauweise auf Dauer beizubehalten. Tausende separate Batteriezellen – im Tesla Roadster stecken fast 7000 Zellen – benötigen jeweils ein Gehäuse, Anschlüsse und Leitungen für Sensoren. Dadurch nehmen allein Gehäuse und Kontaktierung mehr als 50 Prozent des Raums ein. Dazu kommen die elektrischen Widerstände der Verdrahtung, die wertvolle Leistung in störende Abwärme verwandelt. Bei Tesla reduzieren heute zwar bereits etwas größere Zellen diese Probleme, grundsätzlich bleiben sie aber virulent.

Mit einer neuartigen Batteriebauweise wollen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden den Aufbau der Energiespeicher so vereinfachen, dass ihre Leistungsdichte beträchtlich steigt und gleichzeitig die Verlustleistung deutlich sinkt. Sie entwickeln die Elektrode und die Elektrodenmaterialien, ThyssenKrupp System Engineering fertigt die Batterien und IAV Automotive Engineering integriert sie in Elektrofahrzeuge. Als Ziel geben die Partner – eher plakativ als konkret – eine Reichweite von 1000 Kilometern für Pkw an.

Stacks sparen Platz und senken den Widerstand

Unter dem Markennamen EMBATT soll das Bipolar-Prinzip, das von der Brennstoffzelle bekannt ist, auf die Lithium-Batterie übertragen werden. Die Zellen sind in dieser Batterie großflächig übereinander gestapelt. Dadurch sinkt der Platzbedarf für Gehäuse und Kontaktierung auf ein Minimum und durch die direkte Verbindung der Zellen im Stapel fließt der Strom über die gesamte Fläche der Batterie. Das senkt den elektrischen Widerstand auf das konstruktiv nötige Minimum und steigert den Wirkungsgrad. Zudem sinkt auch der innere Widerstand, so dass die Elektroden Energie viel schneller abgeben und – noch wichtiger wegen der Ladezeiten – auch wieder aufnehmen können.

Diese sogenannte Stack-Bauweise ist bereits erprobt in Brennstoffzellen, muss aber für Batterien erst entwickelt werden. Der wichtigste Bestandteil, die Bipolar-Elektrode, ist eine metallische Folie, die mit keramischen Speichermaterialien beidseitig beschichtet wird. Eine Seite wird dadurch zur Anode, die andere zur Kathode. Die Wissenschaftler mischen die keramischen Werkstoffe in Pulverform mit Polymeren und elektrisch leitfähigen Materialien zu einer Suspension und bringen diese im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf die Folie auf. Der Ableiter der negativen Elektrode einer Zelle dient zugleich als Kontaktierung der positiven Elektrode der nächsten Zelle. Je zwei in Reihe geschaltete Zellen teilen sich die Ableiter, indem eine Seite der Bipolarelektrode als Anode in einer Zelle und die andere Seite als Kathode in der nächsten Zelle dient. Je größer und/oder dicker die Elektroden sind, desto höher ist die Kapazität der Batterie. Der Stapellauf der Stapelbatterie in einem Fahrzeug ist bis 2020 geplant. (fpi)