Bipolar-Batterie: Neues Batteriekonzept für „Hochstapler“

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Elektroautos mit gängigen Akkus kommen nicht weit. Bipolarbatterien mit großflächig gestapelten Zellen sollen sie dagegen 1000 Kilometer weit „tragen“.

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. Ein weiteres Problem: An den Anschlüssen der aufgebauten Zellen entstehen elektrische Widerstände, die die Leistung reduzieren.

„Sandwich“-Batterien

Das Fraunhofer 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 und mehr Batterien passen in das Auto.

Außerdem fließt durch die direkte Verbindung der Zellen im Stapel der Strom über die gesamte Fläche der Batterie. Was den elektrischen Widerstand erheblich reduziert. Die Elektroden der Batterie sind zudem so konstruiert, dass sie Energie sehr schnell abgeben und wieder aufnehmen können. Das neue Packaging-Konzept soll mittelfristig die Reichweite von Elektroautos auf bis zu 1000 Kilometer steigern. Im Labor funktioniert das bereits.

Bipolar-Batterie mit Keramik

Wichtigster Bestandteil der Batterie ist die Bipolar-Elektrode. Ihre Zellen sind in einer Stackbauweise so gestapelt, dass der Ableiter der negativen Elektrode einer Zelle die Kontaktierung der positiven Elektrode der nächsten Zelle darstellt. Damit teilen sich zwei in Reihe geschaltete elektrochemische Zellen die Ableiter – eine Seite der Bipolar-Elektrode dient als Anode in einer Zelle und die andere Seite als Kathode in der nächsten Zelle.

Je größer und dicker die Elektroden sind, desto höher ist die Kapazität der Bipolar-Batterie, deren Vorder-und Rückseite aus unterschiedlichen Aktivmaterialien besteht. Da volumenanteilig auf diese Weise mehr Aktivmaterial und weniger passive Komponenten (Gehäuse, Verbinder etc.) verbaut sind, erhält man eine höhere Energiedichte.

Das Fraunhofer IKT vermischt dazu pulverförmige, keramische Werkstoffe mit Polymeren sowie elektrisch leitfähige Materialien zu einer Suspension und bringt sie per Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf eine metallische Folie auf.

Im nächsten Schritt ist geplant, größere Batteriezellen zu entwickeln und in Elektroautos einzubauen. Erste Tests im Fahrzeug streben die Forscher bis 2020 an.

 

Projekt EMBATT

Das neue Batteriekonzept ist unter dem Markennamen EMBATT angemeldet. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die Sächsische Aufbaubank (SAB) fördern dazu zwei Projekte. Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelt dabei die Elektrode und die Elektrodenmaterialien, ThyssenKrupp System Engineering fertigt die Batterien und IAV Automotive Engineering integriert sie in Elektrofahrzeuge.

 

Batteriekonzept Bipolarbatterie (Bild: EMBATT)

Das großflächige Übereinanderstapeln von Batteriezellen bringt mehr Energie ins Elektromobil. (Bild: EMBATT).