Was bewegt das Auto von morgen?

^{Webspecial Fraunhofer-Magazin 1.2023}

Mobilität der Zukunft gleich Elektromobilität: Diese Gleichung scheint aufzugehen – zumindest vermittelt der Blick auf die Straßen diesen Eindruck. Tatsächlich haben sich die weltweiten Verkaufszahlen von Elektroautos – batteriebetriebene, Hybridfahrzeuge, Plug-in-Hybride und Fahrzeuge mit Brennstoffzellen – zwischen 2010 und 2021 mehr als verzehnfacht, von gerade einmal 838 000 auf mehr als 9 345 000 Fahrzeuge. Deutschland lag bei diesem Trend weit vorne: Wurden 2010 weniger als 6000 Fahrzeuge verkauft, waren es 2021 bereits mehr als 750 000. Vor allem die Batterie samt Herstellung und Entsorgung gilt als eine der großen Herausforderungen im Zukunftsfeld E-Mobilität. Forschende an Instituten und Entwickler bei Autoproduzenten arbeiten auf Hochtouren, um die Energiedichte – und somit die Reichweite – durch neuartige Materialkombinationen und neues Zelldesign zu erhöhen, die Sicherheit und Lebensdauer der Batterien zu verbessern und die Produktionskosten zu senken.

Photovoltaik in der Mobilität?

Wirklich nachhaltig fahren E-Autos nur, wenn sie mit nachhaltig produziertem Strom angetrieben werden. Die perfekte Lösung wäre deshalb, die Energie unterwegs dort zu gewinnen, wo sie benötigt wird. Solarenergie vom Autodach ist schon mehr als nur eine schöne Idee: »Gemeinsam mit mehreren Fahrzeugherstellern integrieren wir Solarzellen in die Karosserie«, bestätigt Dr. Martin Heinrich. Der Gruppenleiter am Fraunhofer-In­stitut für Solare Energiesysteme ISE, dem mit 1400 Mitarbeitern größten Solarforschungsinstitut Europas, will »möglichst viel des benötigten Stroms autark am Fahrzeug produzieren«. Im Projekt 3D stand die Herstellung gewölbter Solarmodule auf der Agenda, die sich mit ihrer Form unauffällig in Autodächer integrieren lassen. Die Herausforderung bestand vor allem im Laminationsprozess, über den die PV-Module wind-und wetterfest werden: Wie lassen sich gebogene Module verarbeiten und dennoch der notwendige gleichmäßige Tempera­tureintrag und der homogene Druck über die gesamte Fläche gewährleisten?

Diese Herausforderung ist gelöst, zumindest wenn es um Einzelfahrzeuge geht: Der Autohersteller Mercedes integrierte das entwickelte Solardach bereits in sein Showcar EQXX – unsichtbar, versteht sich. 117 Solarzellen ver­sorgen die 12-Volt-Batterie, aus der unter anderem das armaturenbrettgroße Display seinen Strom bezieht. Dies entlastet die Hochvoltbatterie merklich – 25 Kilometer von insgesamt mehr als 1000 Kilometer Reichweite trägt die Sonnenenergie vom eigenen Dach bei. Doch bietet ein Autodach Platz für mehr Zellen: »Würde man 366 Solarzellen unsichtbar im Autodach integrieren, lassen sich, so eine erste grobe Abschätzung, übers Jahr 2000 Kilometer Reichweite mit den PV-Modulen generieren – an einem guten Sommertag etwa zehn Kilometer«, rechnet Heinrich vor. Das Gesamtpotenzial ist groß: Nimmt man die Dachflächen aller Fahrzeuge in Deutschland, so erhält man eine Solar-Fläche doppelt so groß wie Liechtenstein.

Der genaue Energiegewinn hängt davon ab, wie viel Sonnenlicht während der Fahrt und beim Parken auf die Module fällt. Kolleginnen und Kollegen von Heinrich untersuchen daher, wie viel Sonnenstrahlen auf den deutschen Straßen ankommen. Im Projekt PV2Go haben sie Sensoren entwickelt, die mehr als sechzig Freiwillige in ganz Deutschland seit Anfang 2022 auf ihrem Autodach durch die Gegend kutschieren. Setzt sich das Auto in Bewegung, erfasst der Sensor sekundengenau Daten und schickt diese per Mobilfunk auf den Server. »Wir nutzen diese Daten, um ein Modell zu entwickeln und zu validieren, das die Solareinstrahlung auf einer bestimmten Fahrstrecke prognostiziert, tages-und jahreszeitabhängig«, erklärt Fritz Haider, Wissenschaftler am Fraunhofer ISE. Langfristig könnte der Fahrer eines PV-Autos dann die Route wählen, die am meisten Solarstrom vom eigenen Autodach liefert.

Auch an einem weiteren Versuch, die Energie dort zu erzeugen, wo sie auch verbraucht wird, ist das Fraunho­fer ISE beteiligt. Die österreichische Autobahnen-und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft ASFINAG arbeitet im Projekt PV-SÜD gemeinsam mit Partnern – darunter auch das Fraunhofer ISE – daran, Autobahn­flächen stellenweise mit Photovoltaikmodulen zu überdachen. Sinnvoll ist das besonders dort, wo die Verbrau­cher nicht weit sind, etwa an Raststätten mit ihren Ladesäulen für E-Autos. Das Konzept ist bereits erstellt, der Aufbau eines Demonstrators an der Raststätte »Im Hegau« an der A 81 soll im Frühjahr 2023 starten. »Um die Kosten niedrig zu halten und weitere Aufbauten zu erlauben, haben wir bewusst auf kommerziell erhältliche PV-Module gesetzt«, sagt Martin Heinrich. Allerdings stel­len sich sehr spezielle Herausforderungen. Um den Autoverkehr nicht zu gefährden, dürfen die Module bei einem Bruch beispielsweise nicht splittern. In einem weiteren Schritt werden die Fraunhofer-Forschenden unter anderem untersuchen, welche Energieerträge die Anlage erwirtschaftet und ob die Photovoltaik-Konstruktion Wind und Wetter, darunter auch Schnee, standhält. Neben der Autobahn lassen sich Photovoltaikmodule gleichfalls anbringen: auf Lärmschutzwänden. Die Forschenden des Fraunhofer ISE untersuchen bereits, unter welchen Bedingungen dies sinnvoll ist, wie sich die Module auf be­reits bestehenden Wänden montieren und schallabsorbierende Flächen und PV-Module beim Bau neuer Wände miteinander kombinieren lassen. 

Längeres Leben für Pouch-Batterien

Sichere, zuverlässige und hocheffiziente Batterien sind der Kern und Knackpunkt der Elektromobilität. Wer ein Smartphone besitzt, erlebt jedoch immer wieder: Lithi­um-Ionen-Batterien haben eine begrenzte Lebensdauer. Der Akku funktioniert zuverlässig, doch plötzlich sinkt seine Kapazität rapide. Bei Pouch-Zellen, einer verbreiteten Bauform der Lithium-Ionen-Batterie, die vielfach auch in Elektroautos zum Einsatz kommt, ist einer der Gründe für diese Zellalterung die ungleiche Belastung, die während des Beladens auf die Batterie einwirkt. Die Zellbereiche, die nah an der elektrischen Kontaktierung liegen, dehnen sich tendenziell stärker aus als weiter entfernte Bereiche. Auch werden sie deutlich heißer und altern dadurch schneller. Eine gleichmäßigere Belastung beim Laden könnte also die Lebensdauer der Batterie verlängern – so die Theorie von Forschenden am Fraunhofer ISE. Ob dies tatsächlich der Fall ist, untersuchen sie gemeinsam mit Partnern im Projekt OrtOptZelle. »In einem ersten Schritt wollen wir die lokalen Volumenänderungen und Druckverteilungen in der Batteriezelle besser verstehen. Dazu klemmen wir die Zelle zwischen zwei Metallplatten, in denen Drucksensoren verbaut sind, und untersuchen die Effekte, die beim Beladen auftre­ten«, erklärt Dr. Luciana Pitta Bauermann, Projektleiterin am Fraunhofer ISE. »Anhand der Daten der Drucksen­soren komprimieren wir die Zelle mechanisch so, dass sich die gesamte Batterie gleichmäßig ausdehnen muss. Dazu nutzen wir Metallplatten, in die Stufen gefräst sind – hinten wird die Batterie also stärker gepresst als vor­ne, um eine lokale Verringerung des ionischen Wider­stands zu erreichen, damit die ungleiche Ausdehnung beim Beladen kompensiert wird.« Um herauszufinden, ob die gestuften Metallplatten den gewünschten Effekt hervorrufen, be-und entlädt das Forscherteam die Zellen so lange, bis sie versagen, und misst dabei stets die Ladekapazitäten, um die Alterung der Zellen bestimmen zu können. Darauf folgen sogenannte Post-Mortem-Analysen: Die Zellen werden zerlegt, chemische Untersuchungen verraten, was sich in den verschiedenen Bereichen abgespielt hat. »Derzeit können wir noch nicht genau quantifizieren, wie stark sich die Profil-Platten auf die Lebensdauer der Batterien auswirken. Wir hoffen jedoch, die Lebensdauer um bis zu zehn Prozent zu verlängern. Ein Vorteil der Kompression soll ab einem Verlust von fünf Prozent der Zellkapazität schon erkennbar sein«, fasst Bauermann zusammen. Aktuelle Ergebnisse des Projekts zeigen schon eine deutlich höhere Lebensdauer für allgemein verpresste Zellen im Vergleich zu unverpressten Zellen. In einem Nachfolgeprojekt planen die Forschenden, die starren, schweren Metallplatten mit einem Industriepartner durch leichtere und somit all­tagstauglichere Kunststofffolien zu ersetzen. 

Höhere Energiedichten, mehr Sicherheit

Einer der Hauptkritikpunkte an E-Autos gilt noch immer der begrenzten Reichweite: Wie, bitte, soll man mit so einem Wagen von Norddeutschland in den verdienten Italienurlaub kommen? Das Thema Reichweite greifen Forschende des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Industriepartnern im Projekt FliBatt auf, kurz für »FLiBatt-Feste Lithiumbatterien mit Vliesstoffen« – und sie verbinden es mit der Suche nach mehr Sicherheit. Dafür ersetzen sie die üblichen Lithium-Ionen-Batterien, die auf einem Flüssigelektrolyten beruhen, durch Festkörperbatterien. Dies erleichtert den Einsatz von metallischem Lithium als Anodenmaterial anstelle des derzeit üblichen Graphit. Auf diese Weise steigen die volumetrischen Energiedichten der Gesamtzelle um etwa 85 Prozent. Mehr noch: In Batterien mit Flüssigelektrolyt kann es zum Kurzschluss kommen, der sich ausweiten, den flüssigen Elektrolyten mit seiner Hitzeentwicklung verdampfen und entzünden kann. Zwar ist ein solcher »Thermal Runaway« unwahrscheinlich, doch bleibt ein Restrisiko. Bei Festkörper-Batterien ist ein solcher Batterie-GAU ausgeschlossen.

Noch sind viele Fragen offen im Herstellungsprozess von Festkörperbatterien. So sind beispielsweise die Aluminium-und Kupferfolien, auf denen die Elektroden abgeschieden werden, sowie der Separator zwischen Kathode und Anode zwar bautechnisch nötig, im Hinblick auf die Energiespeicherung aber teurer Ballast. Derzeit sind der Schichtdicke aus produktionstechnischen Gründen Grenzen gesetzt: Zu dünne Folien reißen schnell. »Wir lösen das Problem, indem wir den üblichen Fertigungs­prozess umkehren«, sagt Dr. Andreas Georg, Projektleiter am Fraunhofer ISE. »Statt die Elektroden auf den metallischen Folien abzuscheiden und dann über einen Separator zu einer Zelle zu verbinden, beginnen wir mit der Fertigung des Separators und beschichten diesen mit den Elektroden.« Zum Schluss werden die metallischen Ableiterfolien aufgedampft, prinzipiell genügen dabei Dicken in der Größenordnung von einem Mikrometer. Zum Vergleich: Bisher sind 10 bis 20 Mikrometer dicke Folien nötig. Auf diese Weise lassen sich nicht nur Material und Kosten, sondern auch Gewicht einsparen. 

Belastungstests für Batterien

Zwar erlauben die Festkörper-Batterien künftig noch ein Quäntchen mehr an Sicherheit, doch sind auch die bisher üblichen Lithium-Ionen-Batterien kein Sicherheitsrisiko – schließlich bauen Hersteller Schutzmechanismen ein. Nun müssen diese jedoch nicht nur im Normalbetrieb für Sicherheit sorgen, sondern auch im Falle eines Unfalls. Entsprechende Crashtests ermöglicht das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI. »Wir führen Crashtests mit Elektromobil-Batterien auf allen drei Ebenen durch: auf der Zellebene, also den kleinsten Komponenten der Batterie, auf der Modulebene und künftig auch für ganze Batteriepacks«, sagt Dr. Sebastian Schopferer, Gruppenleiter Messtechnik am Fraunhofer EMI. Auf Zellebene testen die Forschenden vor allem das dynamische Materialverhalten. Dabei fanden die Fraunhofer-Forschenden heraus: Eine Zelle verhält sich grundlegend anders, wenn sie in einem Unfall schnellen Verformungen unterworfen wird, als bei einer langsamen Belastung. »Bei einem Crash reicht eine geringere Verformung aus, um kritische Zustände hervorzu­rufen«, konkretisiert der Experte. Für die Untersuchungen rammt das Forscherteam Stempel unterschiedlicher Geometrie und Geschwindigkeit in die Zellen und vermisst präzise deren Widerstand und Verformung. So lässt sich ermitteln, unter welchen Bedingungen ein »Thermal Runaway« entsteht, bei dem die Zellen in einer chemischen Kettenreaktion unter starker Hitze-und Gasentwicklung versagen und es zu Flammbildung oder gar Explosionen kommen kann. Neben der mechanischen Charakterisierung stehen auch der »Thermal Runaway« selbst und entsprechende zellinterne Sicherheitsmecha­nismen auf dem Prüfstand. Um deren Zuverlässigkeit im Versagensfall bewerten zu können, haben die Forschen­den ein Hochgeschwindigkeits-Röntgengerät entwickelt – und sich damit ein Alleinstellungsmerkmal geschaffen. Die Herausforderung lag nicht nur in der hohen Bildrate: Etwa 1000 bis 10 000 Bilder pro Sekunde braucht es, um die schnellen Prozesse abbilden zu können. Um das Rönt­gengerät vor Explosionen und Beschädigung zu schützen, entwickelte das Team eine röntgentransparente, robuste Schutzkammer für die zu untersuchenden Batteriezel­len. Auf der Modulebene beschäftigt die Forschenden beispielsweise, ob thermische Isolierungen eine Übertragung des thermischen Versagens von Zelle zu Zelle (die sogenannte Propagation) verhindern können. Neuerdings gehören auch Crashtests an gesamten Batteriepacks bis zu 50 Kilowattstunden zum Portfolio: Das neue Gebäude, in dem dies möglich ist, wurde gerade erst im Dezember2022 in Betrieb genommen. Hier prallen Impaktoren und Batterien aufeinander. »Aus der Nachbarabteilung, dem Crashzentrum, wissen wir, welche Lasten bei Unfällen auf die Batterie wirken. Dort können jedoch keine Crashtests mit geladenen Batterien durchgeführt werden, die Um­gebung ist dafür nicht ausgelegt«, verdeutlicht Schopferer. »Wir extrahieren aus den Gesamtfahrzeug-Crashtests also die Lasten, die auf die Batterie wirken, und fahren diese dann mit unserer Anlage nach.«

Europäische Batteriezellfertigung? Taten statt Worte!

Derzeit werden die meisten Batteriezellen in China ge­fertigt – wie problematisch eine solche Abhängigkeit wer­den kann, haben die vergangenen Jahre verdeutlicht. Ein Mehr an wirtschaftlicher Resilienz muss also das Ziel sein. Wie jedoch steht es um die europäische Bat­teriezellfertigung? Forschende des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI bringen im BMBF-Projekt BEMA2020 II die relevanten Daten zu­sammen. »Es herrscht größte Dynamik auf dem euro­päischen Markt«, fasst Dr. Lukas Weymann zusammen. »Zahlreiche Batteriezellhersteller haben deutliche Stei­gerungen angekündigt, während zeitgleich Start-ups und etablierte Autohersteller in die Massenproduktion von Batteriezellen einsteigen.« Lagen die maximalen Produktionskapazitäten 2022 bei etwas über 100 Giga­wattstunden Batteriekapazität in Europa, sollen es 2030 bereits 1700 sein. »Die Herausforderung liegt nicht darin, mehr Akteure dazu zu bewegen, in den nächsten Jahren Batteriezellfabriken in Europa aufzubauen. Der kritische Punkt ist vielmehr: Wie können wir die bereits geplante europäische Massenproduktion in absehbarer Zeit mit der entsprechenden Qualität tatsächlich realisieren?«, erläutert Fraunhofer ISI-Wissenschaftler Weymann. 

Forschung auf dem Weg zur Gigafactory

»Was die Auslegung der Batteriezellen und neue Materialien für die Batterien angeht, sind wir in Deutschland und Europa sehr gut aufgestellt – hintendran sind wir bei der großskaligen Produktion«, pflichtet Dr. Thoma Paulsen bei, Gruppenleiter an der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB. Die Fraun­hofer FFB setzt genau an dieser Herausforderung an und dient als offene Forschungsplattform zur Skalierung von Produkt- und Prozessinnovationen. Asien ist führendbei der Batteriezellproduktion und hat kein Interesse, das Wissen mit Europäern zu teilen. »Wir wollen Erfahrung mit der Massenproduktion von Batteriezellensammeln und – das Wichtigste – als offene Forschungs­plattform Erfahrungen austauschen«, erklärt Paulsen. Gestartet ist die Fraunhofer FFB 2019 im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts Forschungsfertigung Batteriezelle (FoFeBat). 2024 – so der Plan – soll sich die Fraunhofer-Einrichtung in Münster zu einem Institut entwickelt haben. Die ersten zwei der insgesamt etwa 19 Schritte der Batteriefertigung laufen bereits: vom Mischen der Batterie-Masse, dem sogenannten Anoden-Slurry, einem Mix aus beispielsweise Graphit, Bindern, Leitadditiven und wässrigen Lösungsmitteln, bis zum Beschichten und Trocknen der Elektroden.

Der Bau der FFB PreFab, ein Gebäude mit 3000 Quadratmetern Forschungsfläche, ist ebenfalls nahezu fertig, die theoretische Produktionskapazität soll bei 200 Megawattstunden pro Jahr liegen. Theoretisch daher, weil für diese Zahl alle Anlagen rund um die Uhr fehlerfrei laufen müssten. Doch das ist ja nicht das Ziel. Vielmehr geht es darum, an Produktionsprozessen und -umgebung zu forschen und die Produktion kostengünstiger, schneller und grüner zu gestalten. Ein Beispiel dafür ist der Trocknungsprozess der Elektroden: Derzeit gleicht das Verfahren einem Pizzaofen – es ist also äußerst energieintensiv. Alter­nativ arbeiten die Forschenden daher an einem Trocknungsprozess via Infrarotstrahlen, was deutlich energieeffizienter ist. Denkbar ist auch eine Trocknung per Laser. »Zwar ist bekannt, dass diese Verfahren in kleinem Maßstab funktionieren, doch nicht, ob sie sich auch auf eine Gigafactory übertragen lassen. Mit der Forschungsfertigung Batteriezelle schließen wir in Deutschland die derzeit bestehende Lücke zwischen Prototypenstadium und Gigafactory und betreten – indem wir bewusst in die hohen Technologiereifegrade gehen – ein Stück weit Neuland«, begeistert sich Paulsen. 2026 soll auch die FFB Fab stehen: mit einer Grundfläche von 20 000 Quadratmetern und einer theoretischen Produktionskapazität von 6,8 Gigawattstunden. 

Nur noch einen Schritt vor der Produktion im Gigafactory-Maßstab

Während die Forschungsfertigung Batteriezelle die hohen Technologiereifegrade im Blick hat und daher Batterietechnologien wählt, die bereits recht weit entwickelt sind, geht es im Fraunhofer-Projektzentrum für Energiespeicher und Systeme ZESS der Fraunhofer-Institute für Keramische Technologien und Systeme IKTS, für Schicht- und Oberflächentechnik IST und für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM um neuere Batterietechnologien: »Wir wollen Festkörperbatterien vom Laborlevel auf einen Technikumslevel bringen, in Technology-Readyness-Leveln von drei auf sechs heben«, erläutert Dr. Julian Schwenzel, Leiter des Fraunhofer ZESS. »Wir sind also noch einen Schritt vor der Produktion im Gigafactory-Maßstab: Es geht darum, die Prozesstechnologie zunächst einmal zu entwickeln.« Denn: Die Herstellungsschritte von Festkörper- und Flüssigbatterie unterscheiden sich stark. So muss beispielsweise der Elektrolyt bei der Herstellung einer Festkörperzelle von Beginn an mitverarbeitet werden, während er bei Flüssigzellen erst am Ende der Zellfertigung hinzugegeben wird. »Generell arbeiten wir am ZESS an drei verschiedenen Festkörper-Batterie-Technologien: den Polymer-Batterien, den Thiophosphat-basierten Batterien und den Oxidbatterien«, sagt Schwenzel. Die Polymere punkten vor allem bei der einfachen Verarbeitung. Die Forschenden arbeiten mit neuartigen Polymeren, die temperaturstabiler und leitfähiger sind. Auch haben sie bereits ein Polymer zum Patent angemeldet. »Den Allrounder haben wir bei den Polymeren jedoch noch nicht entdeckt – vielmehr muss man genau schauen, welches Polymer für welche Anwendung geeignet ist«, sagt Schwenzel.

Hochspannend findet Schwenzel die Thiophosphatbasierten Batterien: »Sie sind die Champions in Richtung Leitfähigkeit.« Auch hier gibt es jedoch offene Punkte. So sind die Thiophosphate sehr feuchteempfindlich und müssen in einem Trockenraum verarbeitet werden – herausfordernd für eine mögliche Großproduktion. Die Forschen­den arbeiten daher daran, diese Produktionsschritte zu reduzieren und die Nachhaltigkeit voranzutreiben. Die dritte Schiene, die Oxide, stehen noch ganz am Anfang. Die erforderlichen Hochtemperaturprozesse sind schwer zu kontrollieren. Die Forschenden des ZESS müssen also noch einiges an Arbeit leisten, bevor die Festkörperbatterien den etablierten Flüssigbatterien den Markt streitig machen können.

Batteriezellproduktion plus Digitalisierung

Wie lässt sich der Vorsprung der asiatischen Länder bei der Batteriezellproduktion aufholen? »Solider, ingenieur­wissenschaftlicher Maschinenbau reicht da nicht aus«, ist sich Joachim Montnacher sicher. Der Geschäftsfeld­leiter Energie am Fraunhofer-Institut für Produktions­technik und Automatisierung IPA zeigt sich überzeugt: »Diesen Vorsprung können wir nur über die Digitalisierung wettmachen – genauer gesagt über digitalisierte und somit verbesserte Produktion.« Die Knackpunkte liegen in der Wirtschaftlichkeit der Fertigung und der Qualität der produzierten Zellen. Denn: Je mehr Zellen in einer Fabrik vom Band laufen, desto stärker fällt der Ausschuss ins Gewicht. »Produziert eine Gigafactory eine Milliarde Zellen pro Jahr und beträgt der Ausschuss zehn Prozent, sortiert man hundert Millionen Zellen aus – das ist eine riesige Materialschlacht«, verdeutlicht Prof. Kai Peter Birke, Leiter des Zentrums Digitalisierte Batteriezellenproduktion ZDB am Fraunhofer IPA. Eine Verbesserung wollen die Forschenden per Digita­lisierung über die gesamte Wertschöpfungskette errei­chen, unter anderem im Projekt DigiBattPro 4.0. »Wir können unsere Ansätze bei unserem Industriepartner VARTA in der laufenden Produktion auf einer großen, massentauglichen Linie validieren«, schwärmt Florian Maier vom Fraunhofer IPA. »Zudem können wir die gesamte Produktionslinie mieten, um auf einer kompletten Produktionsschicht eigene Versuche durchzuführen. So lässt sich die Industrietauglichkeit der Digitalisierungsansätze in einer realen Umgebung beweisen.«

Das Ziel: Anhand der Daten soll bereits in frühen Prozessschritten – Stichwort »Predictive Quality« – die Qualität der späteren Batterie vorhergesagt werden, um qualitativ niedrige Zellen umgehend auszuschleusen. »Das ist die Spitze der Pyramide, die wir erreichen wollen«, erläutert Maier. »Doch müssen wir zunächst das Fundament bauen, sprich die automatische Datenerhebung: Daten Zehntausender pro Stunde gefertigter Zellen kann schließlich kein Mensch per Hand eingeben.« Via Cloud, Echtzeit-Datenverarbeitung und langfristig auch dem Digitalen Zwilling wollen die Forschenden die Wiederholgenauigkeit des Produktionsprozesses optimieren und die deutsche und europäische Batteriezellproduktion konkurrenzfähig machen. »Der Zug ist nicht abgefahren«, ist sich Birke sicher. »Es besteht immer noch die Chance, die Technologieführerschaft in der nächsten Batteriezellgeneration zurückzuholen. Aber: Es wird ein Jahrzehnt der Produktion, nicht der neuen Zelltechnologien.« 

Alternative: Brennstoffzellen

Zu den Elektrofahrzeugen und somit zu den Hoffnungsträgern für die Mobilität der Zukunft zählen auch Fahrzeuge mit Brennstoffzellen: Sie wandeln den Kraftstoff Wasserstoff mit Luft in Wasser und elektrische Energie um, die wiederum einen Elektromotor antreibt. Die Herausforderungen sind ähnlich wie bei den batteriebe­triebenen Elektromotoren: Der Sektor steht unter einem enormem Kostendruck, sprich die Brennstoffzellen müssen günstiger werden. Auch der Bauraum ist knapp; das gilt nicht nur für Pkw, sondern auch für Lkw – die Module müssen daher so klein wie möglich sein. Und ihre Lebensdauer sollte für den Einsatz im Lkw noch ge­steigert werden.

Ein Projekt, das die Kosten für die Brennstoffzellen insbesondere für Lkw drücken und gleichzeitig eine kompakte Bauweise erlauben soll, ist SinterGDL des Fraunhofer IFAM in Dresden. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer neuartigen PEM-Stack-Einheit , die gleichzeitig kostengünstig und kompakt ist. Herzstück ist das Gas Diffusion Layer, kurz GDL. Dieses ermöglicht, dass Wasserstoff und Luft über die gesamte Fläche – das kann bis zu DIN-A4-Größe sein – gleichmäßig zugeführt und Wärme, Wasser und Strom abtransportiert werden. »Der Clou: Statt das GDL aus Kohlenstoff zu fertigen, stellen wir es komplett aus Metall her«, sagt Dr.-Ing. Olaf Andersen, Abteilungsleiter am Fraunhofer IFAM. »Auf diese Weise können wir die Fertigung leichter in Richtung Großserie bringen und die Komponenten kosten­günstiger produzieren. Auch lassen sich die Metall-Komponenten besser montieren und recyceln.« Denn die Forschenden nutzen massentaugliche Prozesse aus der Papiertechnik – neben Zellulosefasern, Füllstoffen und Additiven verarbeiten sie jedoch auch Metallpulver. Heraus kommt etwas, das einem Blatt Papier ähnelt, durch das enthaltene Metallpulver jedoch eine graue Farbe hat. Auch ist es mit bis zu 200 Mikrometern dicker als Papier, das üblicherweise nur auf 80 Mikrometer kommt. In einem weiteren Schritt verbrennen die Forschenden die Zellulose bei bis zu 600 Grad Celsius – unter einer speziellen Schutzgas-Atmosphäre, damit das Metall nicht oxidiert. Ziel: Die rückstandsfreie Entfernung aller organischen Bestandteile, sodass nur noch die metallischen Anteile zurückbleiben. Diese werden anschließend bei 1250 Grad Celsius gesintert, wobei sich die Metallteilchen fest miteinander verbinden. Da sich die Eigenschaften des metallischen GDL in weiten Bereichen einstellen lassen, indem die Forschenden beispielsweise andere Fasern einsetzen oder aber eine andere Größenverteilung der Poren in dem entstehenden Metall-GDL wählen, erhoffen sie neben der günstigen massentauglichen Produktion auch, die Leistungsparameter des GDL zu verbessern und damit den Bauraum der Brennstoffzellen reduzieren zu können. Neue Hoffnung also für die Brennstoffzelle als alternativer E-Antrieb.