Ein Forscherteam aus verschiedenen Wissenschaftsinstituten hat sich der Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technologie für den Einsatz in Elektroautos angenommen. Dabei stehen nicht nur die Lebensdauer und Effizienz, sondern auch die Sicherheit der Batterien im Mittelpunkt.
Ein Forscherteam aus verschiedenen Wissenschaftsinstituten arbeitet gerade daran, Lithium-Ionen-Akkus für die Elektromobilität weiterzuentwickeln. Im Mittelpunkt der Arbeiten der Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sowie der Universität Ulm steht die Effizienz, die Kostensenkung und die erhöhte Sicherheit dieser Batterien. Aufgrund der hohen Energiedichte bei häufigen aber unvollständigen Lade- und Entladevorgängen sind die Lithium-Ionen-Akkus derzeit die Technologie, die als viel versprechend für den Einsatz in Elektrofahrzeugen gelten. Dabei geht es vor allem um die Erhöhung der Leistung und vor allem der Reichweite, um die Elektromobilität dem Kunden näher zu bringen.
Gesamte Entwicklungslinie im Blick
Im Zuge des Projekts „Li-EcoSafe“ betrachten die Batterieexperten die gesamte Entwicklungslinie: von den Materialien bis hin zu geeigneten Betriebsstrategien. Denn der Begriff Lithium-Ionen-Batterie ist nur der Oberbegriff für eine bestimmten Batterietechnologie, die von der Bezeichnung der Ladungsträger herrührt. Ob diese Ladungsträger Lithium-Kobaltoxid oder Lithium Eisenphosphat ist, hat erheblich Auswirkungen auf die Eigenschaften der Batterie. Die Lithium-Ionen wandern in einem meist flüssigen Elektrolyt zwischen den beiden Elektroden. Hier setzen die Forscher an. „Um das Konzept der Lithium-Ionen-Batterie weiterzuentwickeln, sind für uns besonders die chemischen Reaktionen an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyten interessant“, erklärt Norbert Wagner, der beim DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart das Projekt betreut. „Denn sie beeinflussen die Eigenschaften der jeweiligen Batterie.“ Kennen die Forscher die chemischen Reaktionen an diesen Grenzflächen genauer, können sie neue Materialien für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien entwickeln oder die Oberfläche der Elektroden so gestalten, dass diese möglichst vorteilhafte Eigenschaften aufweist und die Batterien sicher betrieben werden können.
Neue Messmethoden entwickeln
Um das zu realisieren, entwickeln die Forscher neue Messmethoden. Sie teilen die Oberfläche der Elektroden gezielt in einzelne Segmente auf und verfolgen die dort ablaufenden Reaktionen. Außerdem haben sie ein Verfahren entwickelt, mit dem sie quasi direkt in die Batterie sehen können und dabei Messungen vornehmen. Solche Methoden sind nicht nur für die Forschung gedacht. Beim späteren Einsatz der Batterien in Fahrzeugen können sie die Informationen für das Batteriemanagement liefern. Der Fahrer kann mit diesen Messmethoden auf Knopfdruck aktuelle Informationen über den Lade- und Gesundheitszustand sowie die Lebensdauer seiner Batterie bekommen.
Härteprüfung im Testschrank
Ein zweiter Schwerpunkt im Projekt widmet sich der Langzeitstabilität und der Sicherheit der Batterien. Dazu bauen die Forscher unterschiedliche Lithium-Ionen-Batterien und erproben sie in umfangreichen Laborversuchen. Die Batterien werden in Testschränken immer wieder ge- und entladen. Pate standen dabei Standardtestzyklen der Autoindustrie. Damit untersuchen die Wissenschaftler, wie sich die Speicherkapazität entwickelt und wie sich die Batterie beim Überladen oder hohen Temperaturen verhält. „In diesem Zusammenhang interessieren wir uns für die Frage, unter welchen Bedingungen und an welchen Orten es innerhalb der Batterie zu schädlicher Wärmeentwicklung kommt, meist aufgrund unerwünschter Nebenreaktionen“, erklärt Norbert Wagner das Ziel der Arbeiten. Denn Wärmeentwicklung kann das Elektrolyt zersetzen. An der Kathode entsteht Sauerstoff. Dadurch nimmt der Druck im Inneren der Batterie zu und bringt sie zum Bersten oder setzt sie in Brand. Das ist für die Autoindustrie inakzeptabel. Denn für Anwendungen im Fahrzeug gelten strenge Sicherheitsanforderungen und sowohl Hersteller als auch Fahrer brauchen konkrete Hinweise, wie sie mit den Akkus umgehen müssen. (Sven Ullrich)
