Hoffnungsträger Lithium-Batterie

Elektrofahrzeugen gehört die Zukunft – davon sind die Experten überzeugt. Doch bis die leise surrenden Stromer den Verbrennungsmotor gänzlich ablösen können, müssen noch einige Herausforderungen gemeistert werden.

Etwa die Energieversorgung: Die Batterien müssen sicher, zuverlässig und preisgünstig sein. Vielversprechend sind unter anderem Lithium-Zellen, sie haben die höchste Energiedichte. Doch nicht nur in Elektroautos finden diese Batterien Anwendung – auch zum Speichern von Wind- und Sonnenenergie, für medizinische Untersuchungen oder den Antrieb von Tiefseefahrzeugen sind sie gefragt. Auf der Hannover-Messe stellen Fraunhofer-Forscher Lithium-Batterien für verschiedene Anwendungen vor (Halle 13, Stand C10).

Schnelles Auf- und Entladen

Bläst der Wind und scheint die Sonne, liefern regenerative Energiequellen oft mehr Strom, als die Verbraucher benötigen – die Energie muss gespeichert werden. LithiumIonen-Batterien können zwar viel Energie aufnehmen, haben aber recht lange Ladezeiten. Superkondensatoren dagegen speichern die Energie schnell, allerdings ist ihre Energiedichte gering. Forscher am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC im Zentrum für Angewandte Elektrochemie in Würzburg entwickeln nun eine Batterie, die die Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren vereint. Je nach Anforderung wollen die Wissenschaftler Energiespeicher herstellen, die sie entweder auf die hohe Energiedichte einer Batterie oder auf die hohe Leistungsdichte eines Superkondensators einstellen. Ein Beispiel: Lithium-Ionen-Batterien, die sich um ein Vielfaches schneller aufladen als übliche Batterien.

Lange Lebensdauer durch optimale Kühlung

Eine Temperaturdifferenz von einigen Grad kann einen riesigen Unterschied machen – das gilt auch für Lithium-Batterien. Zehn Grad mehr, und die Lebensdauer der Energiespeicher halbiert sich. Ein ausgeklügeltes Kühlsystem ist daher unerlässlich. Für die Anwendung im Elektroauto haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg ein gut gekühltes Batteriesystem entwickelt: Es besteht aus zwölf flachen Lithium-Zellen, zwischen denen sich jeweils eine fluidumströmte Kühlplatte befindet. Um die optimale Leistung aus den Platten herauszuholen, wurde deren Form simuliert und an die Geometrie der einzelnen Batteriezellen angepasst. Der Effekt kann sich sehen lassen: Die Kühlplatten sorgen für eine weitestgehend homogene Temperaturverteilung im Batteriemodul und reduzieren den Temperaturanstieg auch bei großen Belastungen auf wenige Grad. Ein weiterer Pluspunkt: Die Wissenschaftler haben an jedem Batteriemodul eine Platine angebracht, ein Modulmanagementsystem. Dieses überwacht unter anderem die Temperatur, den Lade- und den Alterungszustand der einzelnen Zellen und sendet die Daten an die zentrale Steuerung des Batteriesystems. Hierzu wurden mit Hilfe modellbasierter Verfahren zuverlässige Algorithmen auf Basis von stochastischen Partikelfiltern entwickelt.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in Pfinztal setzen auf Luftkühlung: Dabei stapeln sie die einzelnen Lithiumzellen aufeinander, getrennt durch schmale Streifen aus einem speziellen Polymerschaum. Ein Ventilator sorgt für die Luftzirkulation. Die Streifen bieten zwei Vorteile: Zum einen entstehen in den Zwischenräumen Kanäle, durch die Luft strömt und die Wärme abtransportiert. Zum anderen ist die Konstruktion sehr stabil, da die Zellen jeweils direkt auf den Schaumstreifen aufliegen. Die Kühlung arbeitet optimal: Die Zellen sind nicht wärmer als die abgeführte Luft. Kühlmittelpumpen, Kühlflüssigkeiten und Wärmetauscher sind überflüssig. Das Gewicht der Kühlelemente macht weniger als 20 Prozent des Gesamtgewichts der Zellen aus – die Batterie eignet sich daher für den Leichtbau in der Automobilindustrie.

Flexibel und drehbar

Üblicherweise sind Lithium-Zellen starr und unbeweglich. Für einige Anwendungen, etwa in der Medizin, sind biegsame Zellen gefragt. Die erste flexible Lithium-Batterie haben Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT in Itzehoe entwickelt: Sie lässt sich verbiegen und verdrehen. Doch wie haben die Forscher das erreicht? »Wir arbeiten mit sehr dünnen Elektroden«, verrät Dr. Reinhard Mörtel, Wissenschaftler am ISIT. Außerdem befinden sich in der Kathode, dem Separator und der Anode zwischen einem und zehn Prozent Kunststoff als Bindematerial. Er verklebt die einzelnen Partikel miteinander und sorgt so dafür, dass sich die Aktivschichten ausbilden. Für die flexiblen Zellen haben die Forscher einen Kunststoff verwendet, der laminierbar ist. Erwärmen sie die Schichten unter leichtem Anpressdruck, haften sie anschließend sehr fest aneinander und trennen sich auch dann nicht, wenn die Zelle verdreht oder gebogen wird. Die Zelle ist zum Beispiel bei Schlaflabor-Patienten im Einsatz: Da die meisten Menschen im eigenen Bett besser schlafen als im Labor, bekommen die Patienten die Messgeräte mit nach Hause. Die biegsame Lithium-Zelle ermöglicht eine ein Stromversorgung ohne lästige Kabel.

Druckstabil auch bei 600 bar

Sollen Lithium-Batterien Unterwasserfahrzeuge in der Tiefsee mit Energie versorgen, müssen sie enormen Drücken standhalten. Forscher des ISIT haben eine Batterie entwickelt, die Drücken bis zu 600 bar stand hält, also 600fachem Luftdruck. Darüber hinaus verfügen die Zellen über eine sehr hohe Energiedichte. Die Druckstabilität erreichen die Forscher über zwei Ansätze: Als Zellen verwenden sie zugstabile Pouch-Zellen. Dabei werden Anode und Kathode in einer Folie verpackt, aus der die Luft herausgezogen wird – ähnlich wie bei vakuumverpacktem Kaffeepulver. Der zweite Ansatz liegt beim Separator: Er trennt Anode und Kathode voneinander und vermeidet so einen elektrischen Kurzschluss. Üblicherweise bestehen diese Separatoren aus einer dünnen Glaswolle-Schicht, die mechanisch sehr leicht zerstört werden kann: Es kommt zum Kurzschluss, der unter Umständen die gesamte Batterie vernichtet. Die Forscher haben nun einen Separator entwickelt, der keramisch verstärkt ist und damit deutlich mehr Sicherheit bietet. Ein weiterer Vorteil: Der Separator ist rollbar und lässt sich somit gut großtechnisch verarbeiten.

Erhöhte Sicherheit bei Lithium-Zellen

Sicherheit ist ein wichtiges Kriterium für Batterien. Bei Lithium-Batterien gilt es, Kurzschlüsse zu vermeiden. Sie entstehen, wenn die beiden Elektroden miteinander in Kontakt kommen. Separator-Schichten sollen sie daher voneinander trennen. Kristallisieren die Lithium-Ionen jedoch zu Dendriten – bilden sie also baumartige Kristallstrukturen, wie man sie von Schneeflocken kennt – können diese Dendriten die Separatoren durchstechen. Künftig soll ein neuer Elektrolyt Kurzschlüsse verhindern: Er enthält keramische Elemente. Sie erschweren es den Dendriten, durch den Separator zu dringen. Ein weiteres Sicherheitsplus: Die keramischen Strukturen sind nicht brennbar, es ist daher schwerer, den Elektrolyten zu entflammen. Etwa 80 Prozent aller Schadensfälle lassen sich durch den neuen Elektrolyten vermeiden, den Forscher am ISC ent-wickeln. Besonders wichtig ist dies für Lithium-Batterien mit sehr hohen Energiedichten.

Wie es um die Sicherheit bestimmter Batterien bestellt ist, prüfen Forscher auch am kürzlich eröffneten Batterietestzentrum des ICT. Passen Elektrolyt und Batteriematerialien zusammen? Was passiert, wenn der Elektrolyt zu hohen Temperaturen ausgesetzt wird? Die Forscher untersuchen, wie sich innere Einflüsse, etwa die chemische Zusammensetzung und der Aufbau der Zellen, und äußere Einflüsse, etwa die Umgebungstemperatur, sich auf die Qualität und die Lebensdauer einer Batterie auswirken.