Stapelakkus für 1000 Kilometer Reichweite

In Elektro­autos stecken je nach Modell Hunderte bis Tausende separate Batterie­zellen. Jede einzelne ist von einem Gehäuse umhüllt, über Anschlüsse und Leitungen mit dem Auto verbunden und von Sensoren überwacht. Gehäuse und Kontak­tierung nehmen mehr als die Hälfte des Raums ein. Die Zellen können so nicht beliebig dicht aneinander gepackt werden. Die aufwändige Bauweise raubt Platz. Ein weiteres Problem: An den Anschlüssen der klein­teilig aufge­bauten Zellen entstehen elek­trische Wider­stände, die die Leistung reduzieren.

Das Fraun­hofer-Institut für Keramische Techno­logien und Systeme IKTS in Dresden und seine Partner haben unter dem Marken­namen EMBATT das Bipolar-Prinzip, das von der Brennstoff­zelle bekannt ist, auf die Lithium-Batterie übertragen. Einzelne Batterie­zellen sind bei diesem Ansatz nicht klein­teilig getrennt neben­einander aufgereiht, sondern groß­flächig direkt über­einander gestapelt. Der gesamte Aufbau für Gehäuse und Kontak­tierung fällt somit weg. So passen mehr Batterien in das Auto. Durch die direkte Verbindung der Zellen im Stapel fließt der Strom über die gesamte Fläche der Batterie. Der elek­trische Wider­stand wird dadurch erheblich reduziert. Die Elektroden der Batterie sind so konstruiert, dass sie Energie sehr schnell abgeben und wieder aufnehmen können. „Durch unser neues Packaging-Konzept hoffen wir mittel­fristig die Reichweite von Elektroautos auf bis zu 1000 Kilometer zu steigern“, sagt Mareike Wolter, Projekt­leiterin am Fraun­hofer IKTS. Im Labor funktioniert der Ansatz bereits. Partner sind Thyssen­Krupp System Engi­neering und IAV Auto­motive Engi­neering.

Wich­tigster Bestand­teil der Batterie ist die Bipolar-Elektrode. Dabei wird eine metallische Folie beidseitig mit kera­mischen Speicher­materialien beschichtet. Eine Seite wird dadurch zur Anode, die andere zur Kathode. „Wir nutzen unser Know-how bei kera­mischen Techno­logien, um die Elektroden so zu designen, dass sie möglichst wenig Platz benötigen, viel Energie speichern, einfach herzustellen sind und lange halten“, sagt Wolter. Kera­mische Werk­stoffe liegen als Pulver vor. Die Wissen­schaftler mischen es mit Polymeren und elektrisch leit­fähigen Materialien zu einer Suspension.

„Diese Rezeptur muss speziell entwickelt werden – jeweils angepasst für Vorder- und Rückseite der Folie“, erklärt Wolter. Die Sus­pension bringt das Fraun­hofer IKTS im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf die Folie auf. „Eine Kern­kompetenz unseres Instituts ist es, kera­mische Werkstoffe vom Labor in den Tech­nikums-Maßstab zu bringen und sie zuver­lässig zu repro­duzieren“, beschreibt Wolter das Know-how der Dresdner Wissen­schaftler. Im nächsten Schritt ist geplant, größere Batterie­zellen zu entwickeln und in Elektro­autos einz­ubauen. Erste Tests im Fahrzeug streben die Partner bis 2020 an.

Fh.-IKTS / JOL