Batterien der Zukunft

Fraunhofer entwickelt Batterien der nächsten Generation. Das Spektrum reicht über die ganze Bandbreite der Energiespeicher, von der Kleinstanwendung, wie zum Beispiel Knopfzellen, bis zu großen stationären Systemen wie Redox-Flow-Batterien.

Batterieforschung bei Fraunhofer

Was die Batterie der Zukunft leistet

Die Technik von Energiespeichersystemen ist im Umbruch. Elektroautos benötigen leistungsfähige Batterien, und der Strom aus erneuerbaren Energien wie Sonne oder Wind ist auf stationäre Energiespeicher angewiesen. Die Fraunhofer-Gesellschaft forscht intensiv an neuen Konzepten. Wie ist der Stand der Technik? Wo liegen die großen Herausforderungen?

Batterien sind seit vielen Jahrzehnten ein unscheinbarer Begleiter. Sie stecken im Kofferradio, in der Taschenlampe oder im Smartphone. Dass die Technik noch verbesserungsfähig ist, merkt man allenfalls, wenn man das Smartphone jeden Abend neu aufladen muss. Ansonsten gab es bisher keinen Grund, sich über Batterien Gedanken zu machen.

Das hat sich geändert. Zwei bedeutende Wirtschaftsbranchen, die Energie- und die Automobilbranche, beschäftigen sich derzeit intensiv mit dem Thema. Im Zuge der Energiewende werden Batterien beispielsweise als Energiespeicher benötigt, um die ständig schwankende Stromproduktion bei Photovoltaikanlagen oder Windrädern auszugleichen. Der Trend zur Elektromobilität gibt dem Thema zusätzliche Aktualität.

Weltweit arbeiten Forschungslabore, Universitäten und Hersteller an der Weiterentwicklung der Batterietechnik. Streng genommen ist der Begriff Batterie in diesem Zusammenhang übrigens falsch. Denn es geht um Akkus, also aufladbare Batterien. Doch im allgemeinen Sprachgebrauch ist inzwischen meist nur noch von Batterien die Rede.

 

Das Engagement der Fraunhofer-Institute

Die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher setzen sich seit Jahren mit dem Thema auseinander. Ihr Engagement ist wichtig, denn nach wie vor sind viele Fragen ungelöst. Es geht um Aspekte wie Energiedichte, Reichweite, Ladezeit, Gewicht und Größe sowie Alltagstauglichkeit. 

Elektroautos beispielsweise sind von hoher Reichweite abhängig. Das ist nur mit höherer Energiedichte und verbesserter Effizienz zu erreichen, am besten bei geringem Gewicht und Größe der Batterie. Hinzu kommt der ökologische Aspekt. Umweltfreundlich sind die Akkus zwar im laufenden Betrieb, aber für die Produktion gilt das nicht unbedingt. Und wie sieht es mit dem Recycling erschöpfter Akkus aus?

Die Weiterentwicklung der Batteriekonzepte ruft auch die Sicherheitsexperten auf den Plan. Sie müssen dafür sorgen, dass die hochverdichteten Hightech-Akkus der Zukunft in allen Situationen sicher sind. So seltsam es klingen mag: Die Akku- oder Batterietechnik steckt noch in den Anfängen, zumindest, wenn es um hochleistungsfähige Akkus geht.

Fraunhofer-Allianz Batterien

Forschung und Entwicklung für die Batterie der Zukunft

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Die Fraunhofer-Allianz entwickelt Batterien der nächsten Generation. Sie bündelt die Kompetenzen der Fraunhofer-Institute mit Fokus auf Batterien und Superkondensatoren, einschließlich Redox-Flow-Systemen. Die Wertschöpfungskette erstreckt sich von Materialien auch für kleinste Speichereinheiten über Modulaufbau und Batteriemanagement bis hin zur Qualitätssicherung in der Fertigung und der Simulation von Materialien bis Designs.

Sicherheit geht vor

Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren gelten E-Autos als teurer und sind aufgrund ihrer geringeren Reichweite und der heute noch unzureichenden Infra- und Versorgungsstruktur nicht in der Bevölkerung akzeptiert. Auch die Sicherheit der Akkus bereitet Verbrauchern und Herstellern noch Kopfzerbrechen, denn die Technik der Batterien ist komplex und zeigt neue sowie andere Herausforderungen als Verbrennungsmotoren. Zudem sind die Anforderungen an die Batterien für den Einsatz in der E-Mobilität sehr hoch, wodurch noch viele offene Fragen zu beantworten sind. Daher arbeiten mehrere Fraunhofer-Institute intensiv daran, dass die Batterien der Zukunft noch sicherer und alltagstauglich werden.

Das gilt besonders für die auf Leistung getrimmten, hoch verdichteten Akkus, die im Automobilbau zum Einsatz kommen. Es gilt auch für Batterien, die in der stationären Stromversorgung oder bei Mobilgeräten verwendet werden. Batteriesicherheit ist ein technisch anspruchsvolles Thema. Elektroautos sind heute schon sehr sicher, aber bei der schnellen technischen Weiterentwicklung ist es wichtig, dass die Sicherheitsexperten weiterhin ein Auge darauf haben und insbesondere neue Batterietypen gründlich auf Schwachstellen testen.

Deshalb erforschen die Fraunhofer-Institute in der Allianz Batterien vielfältige Fragen rund um das Thema Batteriesicherheit und arbeiten daran, dass E-Autos der Zukunft menschenmöglich sicher sind – und zwar in jeder erdenklichen Situation.

In der Messkammer stößt der halbzylindrische Impaktor auf die Batterie. Hier werden Weg, Kraft, Spannung und Temperatur gemessen, die während des dynamischen Experiments auf die Batterie einwirken.
© Foto Fraunhofer EMI

In der Messkammer stößt der halbzylindrische Impaktor auf die Batterie. Hier werden Weg, Kraft, Spannung und Temperatur gemessen, die während des dynamischen Experiments auf die Batterie einwirken.

Mit einer Kraft von bis zu 500 Kilonewton und Geschwindigkeiten von bis zu zehn Metern pro Sekunde können Batterien am Batterieprüfstand gequetscht werden.
© Foto Fraunhofer EMI

Mit einer Kraft von bis zu 500 Kilonewton und Geschwindigkeiten von bis zu zehn Metern pro Sekunde können Batterien am Batterieprüfstand gequetscht werden.

Crashtests mit Batterien

Der klassische Crashtest ist hierbei nicht der einzige, aber ein sehr wichtiger Bereich. Dabei begnügen sich die Forscher am Fraunhofer EMI nicht damit, Autos an Betonwänden zerschellen zu lassen und zu sehen, ob dann die Batterie brennt. Sie konzentrieren sich auf das Verhalten der Batterien selbst. Diese werden unter allen möglichen Belastungsszenarien und unter Extrembedingungen getestet, wie sie bei einem Aufprall mit hoher Geschwindigkeit auftreten.

Die Batterien werden dabei nach allen Regeln der Kunst gequält. Sie werden extremer Beschleunigung und extremer Druck- oder Zugbelastung ausgesetzt oder mit stumpfen, scharfkantigen oder spitzen Objekten attackiert. So finden die Forscherinnen und Forscher heraus, wie die Materialien sich bei Belastung verhalten und wo die Schwachpunkte liegen.

Anschließend werden die Schäden begutachtet. Haben sich das Gehäuse und die Zellen im Inneren verformt? Läuft Elektrolyt-Flüssigkeit aus? Haben sich die Elemente im Inneren verschoben? Ist eine Separatorfolie beschädigt, die Elektroden in der Batterie voneinander trennt? In der Regel sind hier ein gefährlicher Kurzschluss und möglicherweise ein Brand die Folge.

Doch damit nicht genug. In der Klimakammer lassen sich Kälte und Hitze sowie Temperaturschwankungen darstellen, die den Einsatz einer Batterie im Fahrzeug unter realen Betriebsbedingungen simulieren.

Der klassische Crashtest mit dem kompletten Fahrzeug steht natürlich auch im Pflichtenheft. Denn ein Auto mit herkömmlichem Benzintank verhält sich anders als ein E-Auto. Tendenziell gilt, dass die großen und schweren Batterien als Bauteile die Gesamtsteifigkeit des Fahrzeugs beeinflussen und unter Umständen auch den Crash-sicheren Bereich vergrößern. Moderne Autos setzen aber eher auf flexible, nachgiebige Strukturen, um im Crashfall möglichst viel Energie aufnehmen zu können. Größe, Gewicht und Positionierung der Batterie im Fahrzeug spielen also auch hier eine maßgebliche Rolle. 

Individuelle Tests für Autobauer

Eine hilfreiche Technologie ist auch X-CC (X-Ray Car Crash), eine Technik, die Röntgenstrahlen und Hochgeschwindigkeitsfotos kombiniert. Die Belichtungszeit ist gegenüber herkömmlichen Röntgenverfahren um den Faktor 1000 kürzer. So können die Forschenden am Fraunhofer EMI dynamische Verformungen im Inneren von Materialien erkennen. Sie sehen dann beispielsweise, wie eine extreme Beschleunigung oder ein Stoß die Strukturen und Elemente im Inneren des Akkus verändern.

Die X-CC-Tests helfen, die Tücken moderner Batterien schon im Vorfeld zu erkennen und zu entschärfen. Denn sie machen auch kleine, punktuelle Ereignisse im Batterieinneren sichtbar, etwa wenn eine Zelle gestaucht wird oder ein elektrischer Kontakt nicht mehr passt. Dann kann sich die Batterie entzünden oder sogar explodieren.


Freisetzung von Gasen

Am Fraunhofer ICT führen die Batterieexperten an Akkumulatoren gezielt verschiedene Missbrauchsversuche (Abuse-Tests) in einem dafür eigens errichteten Testgebäude durch, um die Batterien auf Herz und Nieren zu prüfen. Bei diesen Versuchen können schädliche Gase freigesetzt werden, die mit einer breit aufgestellten Analytik hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und auf zurückbleibende, möglicherweise bedenkliche Substanzen hin untersucht werden. Dies kann nach Versuchsende oder zeitlich aufgelöst während der Versuche erfolgen. Somit wird es möglich auch sehr reaktive Bestandteile und Produkte zu bestimmen, die für die Bewertung der Sicherheit einer Batterie relevant sind. Diese spezielle Gasanalytik kann auch begleitend zu den Crashtests von Elektrofahrzeugen eingesetzt werden.

Neben den mechanischen, elektrischen und thermischen Sicherheitstest mit entsprechender Gasanalytik beschäftigen sich die Forscher am Fraunhofer ICT mit Post-mortem-Untersuchungen von Schäden an oder verursacht durch Batterien. Auch so können Szenarien für den Einsatz von Batterien abgeschätzt und sicherheitsrelevante Fragen beantwortet werden.

Die Fraunhofer-Institute sind in der Lage, die Tests individuell und kundenspezifisch auszuführen. Jeder Hersteller nutzt Batterien nach eigener Spezifikation und setzt auf individuelle Konzepte bei Struktur, Material und chemischer Zusammensetzung. Auch die Platzierung der Akkus im Fahrzeug variiert von Hersteller zu Hersteller. Eine Standardisierung der Akkus ist in diesem frühen Entwicklungsstadium noch nicht sinnvoll, da sich die Autobauer damit die Möglichkeit nehmen würden, ihre Technik individuell zu optimieren.

FAQs

oder was Sie schon immer über Batterien wissen wollten

  • Eine Batterie basiert auf dem Prinzip der elektrochemischen Umwandlung und besteht aus mehreren galvanischen Elementen bzw. Zellen, die zu einer funktionellen Einheit verbunden sind. Eine Zelle besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch eine dünne, feinporige Separatormembran elektrisch voneinader getrennt werden und über eine Elektrolyt-Flüssigkeit ionisch leitend verbunden sind. Die Elektroden bestehen in der Regel aus dem aktivem Material, sind elektrisch leitend und die Energieträger der Zelle. Bei dem energieliefernden Vorgang, der Entladung, wird elektrochemische in elektrische Energie umgewandelt und Elektronen wandern von der Anode zur Kathode. Somit können elektrische Geräte betrieben werden.

  • Batterien werden im Allgemeinen in Primär- und Sekundärbatterien unterteilt. Primärbatterien sind für den einmaligen Gebrauch vorgesehen. Das heißt sie können nur einmal entladen werden. Sekundärbatterien hingegen, die sogenannten Akkumulatoren (Akkus) können mehrere Male geladen und entladen werden. Die Batterie wandelt bei der energieliefernden Entladung die chemisch gespeicherte Energie in elektrisch nutzbare Energie um.

  • Die Ladung einer Batterie, oft auch »Kapazität« genannt, wird in Amperestunden (Ah) angegeben und sagt aus, wie lange sie welchen Strom liefern kann.

    Eine weitere wichtige Kennzahl ist die Spannung, angegeben in Volt (V). Sie ergibt sich aus der Potentialdifferenz der beiden Elektroden und der Verschaltung der Zellen.

    Die Energiedichte beschreibt die gespeicherte Energiemenge einer Zelle und wird entweder auf das Gewicht (gravimetrisch, dann auch spezifische Energie genannt) oder das Volumen (volumetrisch) der Batterie bezogen und in Wattstunden pro Kilogramm oder Liter (Wh/kg oder Wh/L) angegeben. 

  • Die momentan gängigsten Batterien sind Lithium-Ionen- Akkus. Diese Technologie hat nahezu keinen »Memory-Effekt«, es kommt also zu keinem nennenswerten Kapazitätsverlust – egal, wie man diese Akkus auflädt.

    Ein vollständiges Entladen der Batterie, verkürzt die Lebensdauer der Akkus ebenso wie längeres Lagern bei einem Ladezustand von 100 Prozent. Dauerhaft optimal sind Ladestände zwischen 40 und 60 Prozent sowie eine Lagertemperatur zwischen 0 und 15 Grad.

    Ein neuer Akku erreicht bereits nach dem ersten Aufladen seine volle Kapazität. Es ist nicht nötig, ihn vor der ersten Nutzung einmal vollständig aufzuladen oder zu entladen, um ihn auf »die volle Leistung zu kalibrieren«.

    Die Geschwindigkeit des Ladevorgangs nimmt ab einem Ladezustand von 80 Prozent deutlich ab.

    Mit zunehmender Lebensdauer verlieren Batterien zunehmend an Kapazität. Dieser Verlust ist irreversibel und wird als Alterung der Batterie bezeichnet. Die Alterung kann durch Lagerung bei geringen Temperaturen und möglichst mittlerem Ladezustand verringert werden. 

  • Verantwortlich dafür sind Nebenreaktionen des elektrochemisch aktiven Materials. Sie führen zu einer schleichenden Selbstentladung.

  • Beim Laden wird ein elektrochemischer Prozess in Gang gesetzt, bei dem der über das Ladegerät zugeführte Strom in chemische Energie umgesetzt wird. Dieser Prozess lässt sich nicht beliebig beschleunigen.

  • Für Lithium-Ionen Batterien wird als Elektrolyt-Flüssigkeit ein organisches Lösungsmittel verwendet, das ein sogenanntes Lithiumleitsalz beinhaltet. Bei einem interen Defekt der Zelle oder zu hohen Temperaturen reagiert der Elektrolyt mit den Elktrodenmaterialien und bildet Reaktionsprodukte. Diese können korrosiv wirken, sodass das Zellgehäuse porös oder gar zerstört wird und die Zelle ausläuft. Es kann aber auch durch die Reaktionen zu einer Gasbildung kommen, sodass sich die Zelle aufbläht. Solche Defekte können im schlimmsten Fall dann dazuführen, dass eine Zelle anfängt zu brennen.