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Forschung und Entwicklung

Aufholjagd bei Lithium-Ionen-Akkus

16. Mai 2014, 14:38 Uhr | Helmuth Lemme

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Zahllose Parameter zu optimieren

Die Batterie als Ganzes stellt ein höchst komplexes System dar, in dem zahllose Größen aufeinander abzustimmen sind. Als Erstes die Materialzusammensetzung und die Zellengröße: Viele kleine sind ausfallsicherer als wenige große, aber teurer. Bei Serienschaltung von vielen Zellen führt das Versagen einer einzigen zum Totalausfall. Das lässt sich verhindern durch teilweise Parallelschaltungen. Als Nächstes kommen Lade- und Betriebsführungsstrategien und Ladezustandsbestimmung mit der zugehörigen Elektronik und Software, ferner Elektromechanik wie Zellen-Verbinder und Schalter. Ohne Einzelüberwachung aller Zellen geht es nicht. Schließlich ist noch ein stabiles, dichtes, feuerfestes Gehäuse erforderlich. Ein Problem, das die Kleinzellen nicht kennen, ist die Kühlung – sehr wichtig aus Sicherheits- und Alterungsgründen. Die Erhitzung durch Last- bzw. Ladestrom ist bei einem größeren Pack im Inneren stärker als außen, auch das muss berücksichtigt werden. Die Nebenaggregate haben ihr Gewicht und brauchen Bauvolumen. So sinkt die Energiedichte bei Zellen mit 200 Wh/kg im Gesamtsystem auf etwa zwei Drittel ab. Für alles wurden Modelle aufgestellt und Simulationen durchgeführt.

Die Optimierungsrechnung für die Batterie als Gesamtsystem erweist sich als überaus vielschichtig. Bild 2 zeigt das Batterieaggregat des an der TU München entwickelten Elektroautos „MUTE“. Neben der Elektromobilität wird die Energiespeicherung im öffentlichen Stromnetz zur Großanwendung der Zukunft. Weil die Erneuerbaren Energien stark fluktuierend einspeisen, ist eine Pufferung unumgänglich. Solche Batterien werden nicht transportiert, deshalb steht bei diesen nicht die höchste Energiedichte an erster Stelle, sondern die Wirtschaftlichkeit: erstens das Verhältnis von Speicherkapazität zu Anschaffungspreis, zweitens die Lebensdauer, sprich Zyklenfestigkeit. War beim Kosten/Nutzen-Verhältnis lange Zeit der Bleiakku unschlagbar, so ziehen die Lithium-Ionen-Akkus allmählich immer stärker ein, weil ihre Preise ständig fallen. Ihr Vorteil ist das geringere Gewicht bzw. Volumen. Auch hier werden unterschiedliche Typen benötigt: für den Tag/Nacht-Ausgleich solche mit hoher Energiedichte, für kurzfristige Netzstützung solche mit hoher Leistungsdichte.

Aufholjagd hat begonnen

Insgesamt ist schon viel erreicht worden. Prof. Tillmetz stellt fest: „Deutschland hat technologisch gut aufgeholt.“ Ein Überblick ist aus verschiedenen, vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) erstellten Roadmaps zu erhalten, die den Stand der Dinge und die künftige Weiterentwicklung widerspiegeln: im Juni 2010 „Technologie“, im Februar 2012 „Produkt“, im Oktober 2012 beides zusammengefasst und aktualisiert; herunterladbar bei [12]. Weitere Aufgaben der Entwicklung: nicht nur das Speichersystem selbst, auch die Produktionsverfahren, um die ebenso ein Wettrennen eingesetzt hat. Die lange Zeit führenden Japaner haben mittlerweile heftige Konkurrenz aus Südkorea und China bekommen, und jetzt will Europa noch kräftig mitmischen.

Das erfordert erhebliche Anstrengungen und Milliarden-Investitionen. Der Prozess ist nicht einfach von kleinen auf große Zellen hochskalierbar. Vielmehr betritt man hier weitgehend technisches Neuland. Dabei ist die gesamte Wertschöpfungskette gleichzeitig im Blick zu behalten – Materialien, Zellenaufbau, Fertigungsprozesse, Test- und Prüfmethoden usw. Wie muss man eine solche Fertigungslinie aufbauen, damit sie in der Praxis reibungslos funktioniert und dass die Batterien am Ende möglichst kostengünstig herauskommen, ohne Abstriche bei der Qualität? Dies ist ein Großprojekt am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TU München, Sitz Garching (IWB) [13]. Dort ist im Februar 2014 eine vollständige Linie für Batterie-Produktion in Betrieb gegangen, mit der man dann Erfahrungen in der rauen Praxis sammeln will (Bild 3).