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Batterie-Technik: »Grüne« Lithium-Polymer-Akkus

Wie soll sich ein kleiner Akku-Hersteller mit einer niedrigen Fertigungskapazität gegen die asiatischen Riesen durchsetzen? Indem er sich Nischen sucht, die große Hersteller vernachlässigen. Das kanadische Unternehmen Electrovaya hat sich auf die Fahnen geschrieben, keine giftigen Substanzen in der Fertigung zu verwenden und die Sicherheit von Akkus ganz genau zu nehmen.

Akkus sollte man wie Benzin behandeln. Das sagt Dr. Sankar Das Gupta, Mitgründer und Geschäftsführer von Electrovaya. In beiden stecke sehr viel Energie und deshalb seien sie gefährlich. Daher müsse man alles tun, um Akkus und die sie umgebenden Systeme so sicher wie möglich zu machen.

Diese Worte sind nicht nur so dahingesagt: Als im Januar die Akkus zweier Boeing-Dreamliner in Rauch aufgingen, diskutierte plötzlich die ganze Welt über die Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus. Für Boeing war es zusätzlich ein wirtschaftliches Desaster, da die ganze Dreamliner-Flotte für Wochen am Boden stand; im Werk stapelten sich die neuen Flugzeuge und konnten nicht ausgeliefert werden. Konkurrent Airbus entschied kurzerhand, für seinen A350 erst einmal wieder Nickel-Cadmium- statt Lithium-Ionen-Akkus zu verwenden.

Dr. Sankar Das Gupta ist Geschäftsführer von Electrovaya und gründete das Unternehmen im Jahr 1996 zusammen mit Dr. James Jacobs. Zeitweise unterrichtet er auch an der Universität Toronto. Bildquelle: © Electrovaya

Dr. Sankar Das Gupta ist Geschäftsführer von Electrovaya und gründete das Unternehmen im Jahr 1996 zusammen mit Dr. James Jacobs. Zeitweise unterrichtet er auch an der Universität Toronto.

Bei Electrovaya stand die Zellfertigung am Hauptsitz in Mississauga bei Toronto daraufhin still. Nicht, weil es Zwischenfälle mit der eigenen Lithium-Polymer-Technik gegeben hatte, sondern weil das Thema Sicherheit mit einem Mal sein ganzes Ausmaß gezeigt hatte. Die bis dahin gefertigte „SuperPolymer“-Technik wurde eingestellt und „SuperPolymer 2.0“ wurde entwickelt. Durch den Produktionsausfall brach der Umsatz auf 139.000 Dollar im dritten Quartal 2013 ein, im Vorjahresquartal waren es noch 1,5 Mio. Dollar.

SuperPolymer 2.0 unterscheidet sich von der ersten Generation besonders in der verbesserten Sicherheit. Das betrifft sowohl die Zellchemie, die ein besseres Temperaturverhalten aufweisen soll, aber auch das Batteriemanagement sowie die Schutzmechanismen der Akkupacks, die in einem Werk in den USA zusammengesetzt werden. Welche Maßnahmen das genau sind, verrät Electrovaya allerdings nicht und verweist auf laufende Patentanmeldungen. Man muss es also glauben.

Nun kann man den großen Akku-Herstellern wohl nicht vorwerfen, dass sie die Sicherheit auf die leichte Schulter nehmen. Verglichen mit den hohen Stückzahlen passiert sehr wenig. Allerdings hat der japanische Hersteller GS Yuasa die Tests für seine Lithium-Kobalt-Akkus erst ausgeweitet und verlängert, nachdem zwei von ihnen in den Dreamlinern thermisch durchgegangen waren.

Intensive Tests werden auch bei Electrovaya durchgeführt. Das Unternehmen könnte mehr Akkus produzieren, wenn es die Testzeit verkürzen würde, aber man will nicht um jeden Preis wachsen, sagt Sankar Das Gupta. Für das nächste Jahr ist ein Umsatz von 15 Mio. Euro angepeilt, 50 % mehr als 2012.

»Grüne« Fertigung

Das zweite Thema, welches der Firmenchef beständig wiederholt, ist die Akku-Fertigung, denn die ist »grün«. Grün heißt in dem Fall, dass die Akkus von Electrovaya im Stammwerk in Kanada ohne giftige Chemikalien gefertigt werden. Dabei hebt er immer wieder den Verzicht auf das organische Lösungsmittel N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) hervor, das laut der Europäischen Chemikalienagentur ECHA als besonders besorgniserregend definiert ist und das die anderen Batteriehersteller in ihren Prozessen verwenden. Der Verzicht auf solche Chemikalien soll nicht nur die Umwelt entlasten und die Reputation erhöhen, sondern auch Geld sparen, da die Verwendung giftiger Substanzen natürlich spezielle Maßnahmen beim Umgang erfordert und die Entsorgung teuer ist. Das Gupta sieht das als Kosten- und damit als Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen Batterieherstellern.

Der grobe Aufbau einer Electrovaya-Zelle. Bildquelle: © Electrovaya

Der grobe Aufbau einer Electrovaya-Zelle.

SuperPolymer 2.0

Bei der Akku-Technik von Electrovaya handelt es sich um Lithium-Polymer-Akkus, also Akkus, bei denen der Elektrolyt aus einem leitfähigen Polymer besteht. Als Anodenmaterial verwendet Electrovaya Graphit, die Kathode besteht aus einem Lithium-Manganoxid-Gemisch. Solche Mangan-Mischoxide gelten als temperaturstabil und vergleichsweise sicher, es gibt sie in den verschiedensten Zusammensetzungen. Der Kern der Technik von Electrovaya ist der Hybrid-Elektrolyt, der feste und flüssige Anteile enthält, was ihn im Gegensatz zu einem festen Polymer-Elektro-lyten besonders leitfähig machen soll.

Die Akkus, die es in der Pouch-Bag-Form gibt, haben eine spezifische Energie von 170 bis zu 210 Wh/kg, was recht hoch ist und über dem Wert von aktuellen Lithium-Eisenphosphat-Akkus liegt. Die auf das Gewicht bezogene  Leistung beträgt 2.000 W/kg und die Nennspannung 3,65 V. Nach 1.000 vollständigen Ladezyklen haben die Akkus 80 % ihrer Ausgangskapazität erreicht, was dem Ende der Lebensdauer entspricht. Werden sie nur zu 50 % entladen, dann erreichen sie 9.700 Ladezyklen. Geladen wird mit einer Laderate von 1 C, bei den Entladeströmen sind Spitzen bis zu maximal 10 C drin. In der Regel werden die Akkus nach kundenspezifischen Anforderungen gefertigt, Standard-Akkus werden als externe Energiespeicher für Notebooks angeboten.