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Akku-Technik: Veränderung an Batteriekonzepten

Akku-Technik: Um der Entwicklung von Nutzfahrzeugen mit elektrischem Antrieb nicht länger hinterherzufahren, beginnt die Industrie bisherige Batteriekonzepte an allen Ecken und Enden zu verändern.

Schwierigster Teil beim Einbinden eines Elektroantriebs in ein Nutzfahrzeug ist die Batterie. Geht es doch darum, den Energiefluss möglichst perfekt abzustimmen, um maximale Effizienz zu erzielen. Bisher greifen die meisten Elektro- und Hybridfahrzeuge auf die wenig innovative Nickel-Metall-Hybridtechnik zurück. In Sachen Speicherfähigkeit, Gewicht und Leistungsabgabe schneidet die Weiterentwicklung der Nickel-Kadmium-Speichertechnik nur mittelprächtig ab. Gut für höchstens 1.000 Zyklen in Fahrzeug-Anwendungen liegt die Energiedichte von Nickel-Metall-Hybrid-Batterien im Schnitt bei rund 80 Wattstunden pro Kilogramm.  Auch die Blei-Säure-Batterie als ältester Energiespeicher bietet kein allzu großes Entwicklungspotenzial. Sie ist zwar in der Herstellung preiswert und im Unterhalt weniger aufwendig, kritisch bleibt aber das Festlegen der Grenze einer idealen Ladespannung. Eine hohe Spannungsgrenze verbessert die Leistung, verkürzt aber die Lebenserwartung wegen auftretender Korrosion an den positiven Platten. Eine niedere Grenze beansprucht die Batterie weniger, führt aber zu reduzierter Kapazität und Sulfatierung auf den negativen Platten. Zudem sind Blei-Säure-Akkus schwer, lassen sich nicht Schnellladen und vertragen keine Tiefentladung. Am aussichtsreichsten scheint momentan die Lithium-Ionen-Technik zu sein, was die Strategie der Hersteller von Hybrid-Lkw und -omnibussen bestätigt. Die Energiedichte dieser Akkus beträgt fast das Doppelte einer Nickel-Metallhybrid-Batterie und die Selbstentladung liegt bei der Hälfte der einer Nickel-Kadmium-Batterie. Ein Memory-Effekt tritt so gut wie nicht auf. Bislang zeigt aber auch der Lithium-Ionen-Speicher jede Menge Unwägbarkeiten. „Der momentane Stand der Technik ist noch nicht zufriedenstellend“, sagt Fabio Nicora, Koordinator Elektroantriebe bei Iveco-Altra. Lithium-Ionen-Speicher sind enorm empfindlich. Um die notwendige Sicherheit zu gewährleisten, braucht es eine Schutzschaltung, die Spitzenspannungen während des Ladevorgangs und ein zu tiefes Absinken der Spannung während des Entladens verhindert. Grundsätzlich bringt die Lithium-Speichertechnologie ein erhebliches Gefahrenpotenzial mit sich, metallisches Lithium ist stark feuergefährlich. „Eine entsprechende Ummantelung muss einen Crash auch mit Brandfolge abdecken“, warnt Fabio Nicora.  Gegenüber der Kombination von Lithiumkobaltoxid als positive Elektrode und Grafit als negativem Part setzen Experten bei Akkus für den Nutzfahrzeugeinsatz große Hoffnungen in Olivin-Kristalle, Materialien mit spezieller Molekularstruktur wie beispielsweise Lithium-Eisenphosphat oder Lithium-Manganphosphat. Sie punkten mit einer hohen thermischen Stabilität und stehen vor allem als Rohstoffe in ausreichender Menge zur Verfügung.

Eine weitere Schwierigkeit ist die Alterung. Bereits nach einem Jahr verschlechtert sich die Kapazität der Akkus merklich, unabhängig davon, wie oft das Fahrzeug, in das sie eingebaut sind bewegt wird. Häufig versagen Lithium-Batterien nach drei Jahren vollständig ihren Dienst. Die Uhr beginnt bereits kurz nach der Batterieerstellung zu ticken. Um so gravierender ist dieser Nachteil angesichts der hohen Kosten der Lithium-Ionen-Technik. „Die Akkus machen rund 70 Prozent des Fahrzeugpreises aus. Die derzeit genannten Kosten sind gewerblichen Kunden nicht vermittelbar“, erklärt Fabio Nicora.  Zielrichtung der Entwickler ist daher, die Einsatzzeit zu verlängern und gleichzeitig die Energiedichte weiter zu erhöhen. So haben vor kurzem Wissenschaftler am Institut für chemische Technologie von Materialien der Technischen Universität Graz ein Verfahren entwickelt, das Silizium als Trägermaterial für die elektrochemische Reaktion inLithium-Ionen-Akkus nutzbar macht.  Die elektrische Speicherfähigkeit von Silicium ist zehnmal höher als beim bislang verwendeten Grafit. Dabei versuchen die Forscher, ein siliciumhaltiges Gel auf die einzelnen Grafitschichten aufzubringen. „Um die große Volumenänderung des Siliciums bei der Lithium-Ionen-Aufnahme und -abgabe abzufedern, wirkt der Grafit als Puffer“, erklärt Stefan Koller von der TU Graz. Ungeachtet des notwendigen hohen Kapitaleinsatzes nehmen Investitionen in Entwicklung und Produktion von Lithium-Ionen-Batterien weltweit zu. Die Batterieindustrie konsolidiert sich zunehmend, die Konkurrenz wird härter. Noch im vergangenen Jahr deckten die wichtigsten japanischen Hersteller 80 Prozent des Markts ab. Inzwischen drängen Wettbewerber in das Geschäft. Um die Entwicklung voranzutreiben, gründen die internationalen Akteure der Fahrzeugindustrie wie beispielsweise Renault-Nissan und NEC oder der PSA-Konzern und Mitsubishi zahlreiche Allianzen und Gemeinschaftsunternehmen. Der amerikanische Zulieferer Johnson Controls hat sich mit der französischen SAFT-Gruppe zu einem Gemeinschaftsunternehmen zusammengeschlossen. Der chinesische Hersteller BYD als neuer globaler Batteriehersteller plant, in den kommenden Jahren einen auf dem Pkw E6 basierenden Elektrolieferwagen auf den Markt zu bringen. Den Strom soll eine selbst entwickelte und produzierte Lithium-Eisenphosphat-Batterie liefern. LG Electronics und Samsung Electronics aus Südkorea gewinnen mit tiefen Preisen und verbesserter  Qualität ebenfalls an Boden. In Deutschland setzen Unternehmen wie Continental und Bosch auf die Lithium-Ionen-Technologie. Mit einem Budget von 360 Millionen Euro hat sich überdies ein Konsortium aus BASF, Bosch, Evonik, Li-Tec und VW die Weiterentwicklung dieser Speichertechnik vorgenommen. Fördermittel in Höhe von 60 Millionen Euro will das Bundesministerium für Bildung und Forschung zuschießen. Auch Daimler macht bei der Batterieentwicklung Tempo. Zusammen mit dem Industriekonzern Evonik, der aus der ehemaligen Ruhrkohle und dem Chemieunternehmen Degussa entstanden ist, will der Fahrzeughersteller bis zum Jahr 2013 insgesamt 200 Millionen Euro investieren. Daimler hält 49,9 Prozent an dem von Evonik Industries gegründeten Batteriehersteller Li-Tec im sächsischen Kamenz. Dort wollen Daimler und Evonik in den nächsten zwei Jahren Europas größte Batteriezellenproduktion auf Lithium-Ionen-Basis aufbauen. Ab kommendem Jahr sollen dort mehrere Millionen Zellen in Serie gefertigt werden. Die erforderlichen Kompetenzen bündeln Li-Tec und eine weitere Evonic-Tochter, die Evonik Litarion, an dem sächsischen Standort unter einem Dach.  Eine Schlüsselrolle spielt dabei die so genannte Cerio-Speichertechnologie. Sie basiert auf einer Kombination von Keramik-Materialien und hochmolekularen Ionenleitern. Herzstück ist ein keramischer Hochleistungsseparator, bestehend aus einer extrem dünnen und hoch hitzebeständigen Separatorfolie. Die positive Elektrode besteht aus einem Lithium-Metalloxid auf einem Aluminiumableiter (Katode). Hauptbestandteil der negativen Elektrode ist Grafit auf einem Kupferableiter (Anode). Aufgrund der porösen Struktur der keramischen Trennmembran des Separators können die Ionen beim Laden der Zellen von der Kathode durch den Ionenleiter zur Anode wandern. Beim Entladen läuft der Prozess unter Freisetzung von Energie in umgekehrter Richtung ab. Auf dieser Grundlage willLi-Tec unter anderem komplette Batteriesysteme für industrielle Anwendungen und großformatige Batteriezellen für die Antriebskonzepte der Fahrzeugindustrie anbieten.

Ihr Einsatz ist in Hybrid-, Plug-in-Hybrid und vollelektrischen Fahrzeugen vorgesehen. Die Batteriemodule bestehen neben den Zellen aus dem elektronischen Batteriemanagement und einer Temperaturregelung. Neben dem Verkauf von Batterien und Batteriemodulen denken die Sachsen auch an die Möglichkeit, Akkus zu leasen oder Strom und Leistung nach Verbrauch abzurechnen.  Die Konzentration der Forschung auf die Lithiumchemie bedeutet hingegen nicht, dass es keine alternativen Konzepte gibt, zumindest übergangsweise. Iveco beispielsweise setzt in dem nahezu serienreifen Prototyp Daily Electric auf Hochtemperaturtechnik mit Zebra-Batterie – benannt nach dem Forschungsprojekt „Zero Emission Battery Research Activity“. Sie benötigen eine Betriebstemperatur von rund 300 Grad Celsius, müssen also im Gegensatz zu Lithium-Speichern nicht gekühlt sondern beheizt werden, sind dadurch aber auch von Umgebungstemperaturen unabhängig.  Bei der vakuumisolierten Natrium-Nickelchlorid-Batterie treten Natriumionen durch den aus modifiziertem Aluminiumoxid bestehenden keramischen Elektrolyten durch. Er trennt die positive Nickelchlorid- von der negativen Natrium-Elektrode. Die praktische Energiedichte von Zebra-Batterien liegt zwischen 80 und 120 Wh/kg.  Vorzüge dieses Konzepts sollen vor allem in der niedrigen Selbstentladung und einer Lebenserwartung je nach Einsatzbedingungen von deutlich über sieben Jahren liegen. Geladen werden die zwei bis vier Unterflur angeordnete Batteriepacks von Einzel-Ladegeräten, die im Motorraum untergebracht sind. Zugeliefert werden sie von der Schweizer Firma MES-DEA in Stabio im Tessin. Die Nennspannung beträgt 278 Volt, die Kapazität bei 76 Ah. Zur Stromversorgung während des Ladevorgangs dient ein 380-Volt-Anschluß mit Standardstecker.  Beim Aufbau einer entsprechenden Infrastruktur zieht auch Iveco Akku-Tauschsysteme und Finanzierungssysteme wie Leasing in Erwägung. Fabio Nicoras hat hier allerdings seine Bedenken: „Tauschverfahren haben den Nachteil der hohen Kapitalintensität. Würde eine Elektrotankstelle eine ähnliche Mobilität garantieren wie eine konventionelle Zapfstelle, wäre das in Form von Akkuvorräten gebundene Kapital etwa um den Faktor 500 höher.“ Wichtige Voraussetzung für die Attraktivität von Elektro-Nutzfahrzeugen werden allerdings Batterien mit entsprechend niedrigen Stückkosten sein, ungeachtet der jeweiligen Speichertechnik. In naher Zukunft ist der nächste Wunder-Akku indessen nicht in Sicht.

Nano-Materialen an der Anode
Das Fraunhofer Institut für Chemische Technologie in Pfinztal experimentiert mit Kohlenstoff-Nanotubes und -Nanofasern zum Einsatz als Anodenmaterial. Die Speicherung von Lithium-Ionen beruht hier nicht nur auf der Einlagerung zwischen den Grafitschichten sondern auch in einer Anlagerung an den Kanten und auf den Flächen der Grafitebenen. „Nanoröhren mit Durchmessern bis zu wenigen 100 Nanometern lassen sich so herstellen, dass ein deutlich größerer Anteil der Einlagerungsschichten von Lithium-Ionen besetzt werden kann“ so Dr. Jens Tübke vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie. Allerdings hat dieser Weg auch einen Haken: Das Herstellungsverfahren von Kohlenstoff-Nanoröhren ist aufwendig und teuer. In ausreichender Menge und zu marktfähigen Preisen sind die dünnen Röhrchen nicht verfügbar. Hingegen gilt dies nicht für Nanofasern aus Kohlenstoff, die deutlich preiswerter zu gewinnen sind. Um die Kapazität, Zyklenstabilität und Selbstentladung von Anoden mit Kohlenstofffasern als aktives Material beurteilen zu können, hat das Institut kürzlich eine schnelle Testmethode entwickelt.

Spezialist für Stromspitzen
Suprakondensatoren weisen hohe spezifische Leistungen auf, bei allerdings geringen Energiedichten. Solche Systeme mit einer Serienschaltung von über 400 Einheiten kommen vor allem bei Hybrid-Anwendungen beispielsweise in Stadtbussen zur Deckung von Spitzenbelastungen zum Einsatz (Beschleunigung, Motorstart, etc.). Für die Speicherung der Energie aus regenerativem Bremsen sind sie prädestiniert. Drei Arten von Elektroden sind für Suprakondensatoren geeignet: Aktivkohleplatten, Metalloxyde und leitfähiges Polymer. In der Massenfertigung kommen vor allem sogenannte Double Layer Capacitor zum Einsatz. Suprakondensatoren sind praktisch keinem Verschleiß durch Lade- und Entlade-Zyklen unterworfen. Nach einer Betriebszeit von zehn Jahren verschlechtern sie sich auf nur rund 80 Prozent. Nachteile sind die niedrige gravimetrische Energiedichte, die etwa nur ein Zehntel einer Nickel-Metall-Hybrid-Batterie beträgt und die hohe Selbstentladung. Die Kapazität sinkt in einem Monat auf rund 50 Prozent.

Foto

Wolf, Daimler, li-Tec, Behr

Datum

1. April 2011
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