EMBATT2.0: Bipolarbatterien

Das Konsortium des Verbundprojektes EMBATT2.0 schätzt, dass die Produktkosten von Batteriesystemen auf weniger als 200 Euro pro Kilowattstunde verringert werden müssen, damit sich Elektrofahrzeuge künftig auf dem Markt breit durchsetzen werden. Zudem muss eine hohe Sicherheit gewährleistet werden. Mehr Kundenakzeptanz kann derzeit außerdem durch höhere Reichweiten erzielt werden, welche sie von den klassischen Autos mit Verbrennungsmotoren gewohnt sind. Um mit diesen mitzuhalten zu können, müssen Batterien Energiedichten von mehr als 450 Wattstunden pro Liter erreichen.

Diese Entwicklungsaufgabe wurde für die etablierte Lithium-Ionen-Zelltechnologie bisher mit verbesserten Aktivmaterialien mit erhöhter Energiedichte oder optimiertem Zell- und Systemaufbau in kleinen Schritten vorangetrieben. Insbesondere die hohen Energiedichten für hohe Reichweiten konnten auf diesem Wege allerdings bisher nicht erreicht werden.

So stehen zwar kommerziell inzwischen Lithium-Ionen-Zellen mit mehr als 650 Wattstunden pro Liter zur Verfügung. Diese müssen aber in Batteriemodulgehäuse eingebaut werden, welche u. a. das Kontaktiersystem enthalten. Die Module werden schließlich in ein Batteriepack integriert. Neben Verkabelung und verschiedenen Anschlüssen sind dort auch das Batteriemanagement- und Kühlsystem und weitere Komponenten untergebracht. Alle zusätzlichen Komponenten wirken sich negativ auf die Energiedichte aus. Am Ende ergeben sich nur noch Energiedichten von etwa 250 Wattstunden pro Liter.

Das EMBATT2.0-Konsortium setzt deshalb auf einen Ansatz, der im Gegensatz zu etablierten Lithium-Ionen-Batteriesystemen großflächige Bipolarbatteriestapel als zentrales Speicherelement nutzt. Solche bipolaren Elektrodenaufbauten, die etwa in der Brennstoffzellentechnik eingesetzt werden, stapeln Einzelzellen direkt aufeinander und schalten diese in Reihe. Dieser Zellenstapel wird meist mit dem englischen Begriff Stack bezeichnet.

Ein solcher Aufbau umgeht aufwändiges Zellpackaging und liefert Stackspannungen, die sich aus die Anzahl der gestapelten Einzelzellen ergeben. Die Verbindungstechnik wird stark vereinfacht, da die Elektrodenträgerfolien selbst als großflächige Zellverbinder fungieren. Der geringe Innenwiderstand gibt zudem die Möglichkeit, sehr große Elektrodenflächen zu realisieren. Das EMBATT-Konzept überführt damit die hohe Energiedichte auf Zellebene direkt ins Batteriesystem und eliminiert den Modulaufbau als Zwischenebene. Durch die Materialeinsparungen und die kompaktere Bauweise werden Systemenergiedichten von mehr als 450 Wattstunden pro Liter ermöglicht.

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