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24.05.2013, 07:30 Uhr | 0 |

Durchbruch gelungen Ingenieure entwickeln Hochleistungs-Batterien für 10.000 Ladezyklen

Lithium-Ionen-Batterien mit einer beeindruckenden Lebensdauer von mehr als 10.000 Ladezyklen gab es bisher noch nie: Jetzt haben Ulmer Forscher eine neue Hochleistungsbatterie auf Basis von Standardzellen entwickelt, die Basis sein kann für den Einsatz in Elektroautos und als Solarstromspeicher.

Hochleistungszelle aus Ulm
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Hochleistungszellen, die ohne wesentlichen Leistungsverlust 10 000 Mal ent- und geladen werden können, haben Forscher und Ingenieure des ZSW in Ulm entwickelt. Sie könnten Basis sein für deutlich leistungsfähigere Akkus in Elektroautos und Energiespeichern.

Foto: ZSW

Lithium-Ionen-Batterien für Elektroautos müssen hohen Anforderungen entsprechen. Bedingung der Autobauer an diese Batterien ist eine besonders lange Lebensdauer von mindestens zehn Jahren. Und das bedeutet viele Ladezyklen. Dabei darf die Kapazität des Akkus nicht unter 80 Prozent des Nennwertes fallen.

Forscher des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) haben jetzt erstmals solche Lithium-Ionen-Batterien auf der Basis von Standardzellen entwickelt, die diesen Anforderungen entsprechen. „Nach 10 000 vollständigen Lade- und Entladevorgängen mit einem kompletten Lade- und Entladezyklus pro Stunde weisen unsere Lithium-Akkus immer noch mehr als 85 Prozent der Ausgangskapazität auf", berichtet Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens, Leiterin des Fachgebiets Akkumulatoren Materialforschung in Ulm. „Das sind gute Aussichten für eine lange kalendarische Lebensdauer", so die Forscherin.

Ziel von 20 000 Zyklen in Sicht

Mehr noch: Die Zellen werden derzeit weiter in der Pilotanlage geladen und entladen. Und dies unter erschwerten Bedingungen. Die Zellen werden binnen einer Stunde komplett aufgeladen und wieder entladen. Das ist für die Batterien stark belastend. „Normalerweise bricht die Leistung nach rund 1000 Zyklen ein“, berichtet Wohlfahrt-Mehrens gegenüber ingenieur.de. Nicht so bei den verbesserten Zellen. „Wir sind mit 10 000 Zyklen noch nicht am Ende. Die Zellen laufen weiter“, so die Ulmer Forscherin. „Die Abnahme der Kapazität ist inzwischen sehr flach. Wir rechnen damit, das wir auf 20 000 Zyklen kommen können.“ Das wären für die Autoindustrie und die Energieerzeuger, die händeringend nach leistungsfähigen Zwischenspeichern rufen, hervorragende Nachrichten.

Aktivmaterialien von deutschen Unternehmen

Doch wie ist es den Ulmer Forschern gelungen, so leistungsfähige Zellen zu bauen? Mit einer Leistungsdichte von 1.100 Watt pro Kilogramm weisen diese Batterien gute Leistungswerte auf, obwohl es sich um kleine Standardzellen handelt und Standardmaterialien handeln, die BASF und SGL Carbon geliefert  haben.

Die Ulmer haben für die neuen Akkus Standard-Chemikalien genutzt und optimiert. Zudem haben sie die positiven und negativen Elektroden so optimal aufeinander angepasst, das sie stets im optimalen Fenster arbeiten können und dadurch kaum Störungen entstehen, die die Leistung der Batterie vermindern und ihre Langlebigkeit beeinträchtigen.

Dabei steckt der Clou in den Elektroden selbst. „Wir haben stark an der Elektrodenstruktur gearbeitet“, berichtet Wohlfahrt-Mehrens. „Wir haben die Struktur so eingestellt, dass die Kinetik zueinander optimal passt.“ Die Elektroden bestehen aus Standardmaterialen, deren Mikrostruktur jedoch so gut angepasst wurde, dass die Elektroden kaum altern. Dafür haben die Ulmer sogar ein eigenes Messverfahren entwickelt, dass ihnen die optimale Einstellung der Elektroden erst ermöglicht.   

Mit der Entwicklung des Herstellungsprozesses und der Produktion einer Kleinmusterserie im 18650er Format legte die Elektrochemikerin mit ihrem Team die Basis für die Herstellung von der Autoindustrie gefragten Pouch-Zellen und großen prismatischen Zellen.

Upscaling für große prismatische Lithium-Zellen

„Die Beherrschung der jetzt demonstrierten Zelltechnologie ist die wesentliche Voraussetzung für die anschließende Fertigung von großen Zellen", kündigt Wohlfahrt-Mehrens in ingenieur.de schon die nächsten Schritte an. Bis 2014 will das Institut das Verfahren auch auf größere Zellen übertragen. „Wir wollen den Nachweis erbringen, dass die Zellen in großen Batterien einsetzbar sind.“ Und die Forscherin ist fest davon überzeugt, dass dies auch gelingt. Der dazu nötige Forschungsaufwand sei überschaubar.

Sollte sich die in Ulm entwickelte Technik im Großversuch bewähren, wäre das für die deutsche Autoindustrie eine wichtige Nachricht. Denn bislang sind die geringen Kapazitäten und kurzen Lebenszyklen der Batterien die größten Hindernisse für den Durchbruch der Elektromobilität.

Und auch in dezentralen Stromerzeugungsanlagen wie Blockheizkraftwerken, in Haushalten und an Solar- und Windkraftanlagen ließen sich die Speicher dank der großen Zahl möglicher Ladezyklen sehr gut einsetzen.

Drei Jahre lang haben die ZSW-Forscher an den neuen Zellen bei finanzieller Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und des Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gearbeitet. Dabei weiß Wohlfahrt-Mehrens, dass die neue Technik ein Durchbruch sein könnte. Erste Reaktionen der Autohersteller soll es bereits geben.

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Von Petra Funk
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