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Akkutechnik: Neue Batterien in Entwicklung
Alternative Antriebe 26.02.2019 07:45 Uhr Christoph M. Schwarzer

Als Jesus von den Toten auferstand, erschien er seinen Jüngern. Nur Thomas, so steht es im Johannes-Evangelium, war nicht dabei. Weil er aber darauf beharrte, nicht eher zu glauben, bis er „seinen Finger in die Male der Nägel“ Jesu legen könne, wird er der ungläubige Thomas genannt. Er bestand auf dem Beweis. Diese biblische Skepsis sollte jeder teilen, der von einem Durchbruch bei Batterien liest. Zu häufig gibt es vielversprechende Forschungsergebnisse, zu selten wird geliefert. Trotzdem ist es möglich, die zeitnahe Entwicklung vorauszusehen und zu beschreiben: Eine Revolution der Zellchemie bleibt vorerst aus. Eine permanente Evolution findet dagegen statt. Und das höchste Ziel ist die Kostenreduktion.

Das Batteriesystem eines Elektroautos ist aus vielen einzelnen Zellen zusammengebaut. Hier lassen sich drei Typen unterscheiden: Tesla nutzt Rundzellen mit zylindrischer Form. Die meisten Hersteller wie Volkswagen im e-Golf setzen auf prismatische Zellen, die wie eine kleine Box aussehen. Und vereinzelt sind Pouch-Zellen zu finden, die dem Namen entsprechend einem Beutel gleichen. Jaguar etwa verwendet sie im I-Pace (Test).

Mehr Kapazität = kürzere Ladezeit

Grundsätzlich hat jede Zelle eine eigene Kapazität (in der Einheit Wattstunden) und Leistung (angegeben in Watt). Wenn die Zahl der Zellen in einem Batteriesystem steigt, werden aus Watt(stunden) Kilowatt(stunden). Dann wächst einerseits die Reichweite proportional und – quasi als Nebenprodukt – die Leistung, die dem Elektromotor zur Verfügung steht. Das lässt sich sehr gut am Hyundai Kona EV (Test) ablesen. Er ist in seiner Klasse die Messlatte und steht repräsentativ für die Tendenz in der Branche.

Die Basisversion des Kona EV hat eine Kapazität von 39,2 kWh, was für eine Reichweite im WLTP von 289 Kilometern genügt. Die Motorleistung dieses Modells beträgt 100 kW. Zusätzlich bietet Hyundai den Kona EV mit einer größeren Batterie an, die eine Kapazität von 64 kWh hat. Dessen Aktionsdistanz liegt bei 449 km, und der Elektromotor leistet hier 150 kW.

Eine Batterie, die mehr Leistung abgeben kann, ist zugleich in der Lage mehr aufzunehmen. Mit einer größeren Kapazität geht also eine höhere Ladeleistung an der Stromsäule und folglich eine höhere Ladegeschwindigkeit einher. Es ergibt sich automatisch ein doppelter lebenspraktischer Nutzen: Der Autofahrer kommt weiter, und wenn er laden muss, dauert das kürzer. Zusätzlich kann mehr Bremsenergie zurückgewonnen werden.

Hohes Gewicht und Rekuperation

Fans des Antriebs reden gerne über die Energiedichte der Batterie. Also über die Frage, wie viele kWh Strom sich in welchem Bauraum (volumetrisch) oder bei welchem Gewicht (gravimetrisch) speichern lassen. Diese Aspekte sind wichtig – aber das Problem der Energiedichte ist untergeordnet. Um beim Hyundai Kona EV zu bleiben: Mit 449 Kilometern Normreichweite lassen sich viele Nutzungsprofile abdecken – und das in einem eher kleinen Auto, das ungefähr das Raumangebot eines VW Polo (Test) hat. Der Platz für die Batterie ist vorhanden, und ein großer Fortschritt bei der volumetrischen Energiedichte wäre willkommen, jedoch nicht unbedingt notwendig.

Dass das Gewicht des Hyundai Kona EV von 1760 bis 1818 kg im Vergleich zum 1401 kg wiegenden Kona mit Verbrennungsmotor (Test) sehr hoch ist, wird wiederum teilweise durch die Bremsenergierückgewinnung („Rekuperation“) kompensiert. Eine bessere gravimetrische Energiedichte ist erstrebenswert, ohne extrem relevant zu sein. Der hohe Materialeinsatz beim batterieelektrischen Fahrzeug bleibt dennoch äußerst kritikwürdig.

Es ist absehbar, dass die einzelnen Zellen immer geschickter und enger in ein Batteriesystem gepackt werden. Zu Beginn dieses Jahrzehnts haben die Hersteller übergroße Sicherheitspuffer eingebaut. Diese können nun abgeschmolzen werden. Und weiterhin gilt, dass der Großteil des Gewichts auf die Verpackung entfällt. Wenn die Entwickler vom Know-how beim System sprechen, meinen sie unter anderem die Verbesserung des Verhältnisses von crashsicherer Verpackung (Aluminium, Stahl) zu elektrochemisch aktivem Material (Lithium etc.).

Noch gibt es Autos wie etwa den Volkswagen e-Golf oder den Nissan Leaf II, die ohne aktive Kühlung auskommen. Es ist offensichtlich, dass diese kostengünstige Auslegung schnell verschwinden wird. Der Grund dafür liegt in den immer dichter aneinander gepackten Einzelzellen sowie einer veränderten Zellchemie an der Kathode.

Geringer Kobaltanteil erfordert aktive Kühlung

Bei der Kathode werden oft Nickel, Kobalt und Mangan (NCM) eingesetzt. Kobalt ist wegen der tatsächlichen und der erwarteten Nachfrage teuer geworden, sein Preis schwankt extrem. Hyundai befürchtet sogar, dass es darum ab 2020 zu einer Kostenstagnation bei den Batterien kommen könnte. Außerdem werden rund zwei Drittel – Tendenz steigend – des Kobalts unter üblen Arbeitsbedingungen in der Demokratischen Republik Kongo gefördert.

In Serienautos konnte der Anteil des Kobalts bereits von einem Drittel auf 20 Prozent reduziert werden. Bei den Bezeichnungen werden die Mischverhältnisse von Nickel, Kobalt und Mangan angegeben: Aus NCM 111 wurde 622. Im kommenden Jahr startet die Produktion von 811-Akkus, also mit nur noch zehn Prozent Kobalt, die unter anderem im SUV Mercedes EQC 400 zum Einsatz kommen.

Weniger empfindlich

Dieses Übergangsmetall hat die positive Eigenschaft, die Zellen weniger temperaturempfindlich werden zu lassen. Wenn weniger Kobalt an der Kathode ist, wächst die Gefahr der Überhitzung der Batterie (Thermal Runaway), und die Lebensdauer sinkt auch. Die wirksame Gegenmaßnahme ist ein flüssigkeitsgekühltes Batteriesystem.

Das haben zum Beispiel sämtliche Teslas, der BMW i3 (Test) oder der Opel Ampera-e (Test). Die anderen werden nachziehen oder wie im Fall des Nissan Leaf hinnehmen müssen, dass die Batterie schnell warm wird und die Ladegeschwindigkeit aus Sicherheitsgründen herabgesetzt wird (#Rapidgate).

Der Preis für ein flüssigkeitsgekühltes Batteriesystem ist hoch und verkompliziert das vermeintlich simpel aufgebaute Elektroauto. Insgesamt ist es keineswegs trivial: Ein Audi e-tron (Test) etwa bekommt vier getrennt regelbare Kühl- und Heizkreisläufe. Das Batteriesystem inklusive Temperatur- und Spannungsmanagement, Ladegerät sowie Gleich- und der Wechselrichter bilden eine aufwendige und kostspielige Kombination. Einfach bleibt da nur noch der Motor.

Priorität hat die Kostensenkung

Es geht bei allen kommenden Batterieentwicklungen nicht in erster Linie darum, die größtmögliche Kapazität in einem Fahrzeug unterzubringen, sondern um Kostensenkung bei akzeptierter Reichweite. Bis 2025 werden die meisten Elektroautos evolutionär verbesserte Zellen mit wenig Kobalt haben, und die Systeme werden enger gepackt und flüssigkeitsgekühlt sein.

Das Unwort von der Wunderbatterie, meistens von den Gegnern des Elektroautos mit ironisch-spöttischem Unterton gebraucht, weicht der Realität. Beispiel Feststoff-Elektrolyt-Batterie: Sie ist besonders sicher und hat eine hohe Energiedichte. Außerdem erwarten die Unternehmen einen geringeren Stromverbrauch bei der Produktion. Selbst Forscher zweifeln aber an einem Serieneinsatz vor der zweiten Hälfte des nächsten Jahrzehnts. Probleme wie etwa die geringe Leitfähigkeit des Elektrolyten müssen erst im Labor beseitigt werden, bevor an die Massenproduktion gedacht werden kann. Währenddessen bleibt die konventionelle Lithium-NCM-Konkurrenz nicht stehen und wird wegen der Skaleneffekte hoffentlich billiger.

Preise müssen sinken

Der begrenzende Faktor bei der Traktionsbatterie des Elektroautos ist das Geld. Ein Hyundai Kona EV kostet mit 64 kWh-Akku, in mittlerer Ausstattung und mit Wärmepumpe ab 42.500 Euro. Einzige Extras sind das Schiebedach (600 Euro) und die Wunschfarbe (590 Euro). Berücksichtigt man die E-Prämie von 4000 Euro, ergibt sich also ein Endpreis, der inklusive Überführung und Zulassung bei knapp 40.000 Euro liegt. Das schmaler ausgestattete Basismodell wird für deutlich unter 20.000 Euro gehandelt. Die Preise müssen also weiter sinken, wenn das Elektroauto nicht nur für Strombegeisterte konkurrenzfähig werden will.

So ganz scheint der Heise Verlag und Christoph M. Schwarzer nicht auf dem laufenden zu sein. Tesla hat den Kobalt Anteil schon ziemlich heruntergefahren. Und wen ich es richtig weiß versprechen sie sich mit dem Zukauf von Maxwell Technologie ganz auf Cobalt verzichten zu können (bei höherer Lebensdauer).

Die (wollen doch nur) kennen doch nur die deutschen Hersteller und Audi packt da ja scheinbar alles was man braucht in den tollen Akku des wahnsinnig innovativen "Kothaufens" ...

Passt ja irgendwie dazu, drum kein neues Thema.

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Denkendorfer Tüftler arbeiten an Sensorik für Batterien in E-Autos

Innovationen bei Textilien sind längst nicht mehr auf Kleidung beschränkt. Auch im Autobau könnten die Ideen der Denkendorfer Wissenschaftler wichtig werden.
Von Julia Giertz, dpa

Wer bei den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung an simple Socken und T-Shirts denkt, liegt falsch. In der Denkendorfer Innovationsschmiede im Landkreis Esslingen wird an funktionellen Schichten gearbeitet, die Wasser abweisen oder Textilien leuchten lassen. Digitalisierung definieren die Forscher als Arbeit an elektrischen Leiterbahnen auf und in Textilien. Das ist für sie nichts Neues. "An E-Textiles forschen wir schon seit über zehn Jahren", sagt Diplom-Chemiker Reinhold Schneider.

Gewebe mit Sensoren meldet Lecks

Auch im Automobilbau könnten die Forscher für Neuerungen sorgen. Beispiel: ein Sensor, der bei Batterien in E-Fahrzeugen auslaufende Flüssigkeit meldet. Auf ein Gewebe aus Glasfaser und Kunstharz wird mit in Denkendorf entwickelter leitfähiger Rußpaste eine Art Doppelkammstruktur aufgedruckt: Die Zähne zweier Kämme liegen nah beieinander, ohne sich zu berühren. Sobald Flüssigkeit aus der Batterie auf das Gewebe trifft, werden die bislang separaten Kreisläufe miteinander verbunden. Der elektrische Impuls führt dann zu einem Warnsignal.

"So wüsste der Autofahrer sehr früh, dass mit der Batterie etwas nicht stimmt", sagt Diplom-Ingenieurin Sabine Frick. Einzelne Elemente des Materials könnten in den Boden eines E-Fahrzeugs unter der Batteriebox eingebaut werden. "Dann könnte auf dem Armaturenbrett wie bei Öl oder Wasser angezeigt werden, dass die Batterie undicht ist."

Wünschenswerte Technik für E-Autos

Von der Autoindustrie gibt es Lob. "Alles, was zur Fahrzeug- und Verkehrssicherheit beiträgt, begrüßt der Verband der Automobilindustrie", sagt dessen Sprecher Eckehart Rotter. Eine solche Anzeige gehöre in jedes E-Auto – genauso wie beim Benziner oder Diesel etwa der Ölstandszeiger. Vor Mängeln müssten die Fahrer grundsätzlich gewarnt werden.

Die Batterie für E-Fahrzeuge enthält für den Transport der elektrischen Ladung zwischen den beiden Elektroden flüssigen Elektrolyt. Wenn der ausläuft, kann er sehr leicht in Brand geraten. Bei Unfällen von E-Fahrzeugen legen die Ermittler besonderes Augenmerk auf die mit dem leicht entflammbaren Stoff gefüllten Batterien. "Allerdings erscheint das Brandrisiko eines Fahrzeugs mit E-Antrieb nach den bisher vorliegenden Zahlen geringer als bei Pkw mit Verbrennungsmotor", sagt Simon Wiemers-Meyer vom Batterieforschungszentrum der Universität Münster.

Neuerungen aus der Textilforschung

Bis die Denkendorfer Innovation allerdings ins Auto eingebaut wird, dürften noch Jahre ins Land gehen, betonen die beiden Forscher. Bislang handele es sich nur um einen Prototyp. "Das ist nur die Grundlage für ein späteres Produkt", sagt Schneider. Aber ganz isoliert werkeln Wissenschaftler und Autobauer auch nicht nebeneinander her. Beim Projekt Arena Campus 2036 erforschen unterschiedliche Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft unter einem Dach das Zukunftsthema Produktion und Leichtbau. Frick und Schneider vertreten dort die Textilforschung.

Weitere Innovationen sind mit speziellen Tinten aufgedruckte Schalter und Sensoren etwa auf T-Shirts, die das Anschalten von Licht oder Wärme erlauben. Größte Herausforderung für die Experten ist, dass die Textilien mehrfaches Waschen aushalten müssen, ohne dass die Leiterbahnen brechen. Weltweit patentiert ist bereits eine unsichtbar aufgedruckte und infrarotabsorbierende Sicherheitsmarkierung auf Textilien, die Herkunft und Herstellungsdaten von Produkten festhält.

Anwender werden gesucht. Beispielsweise könnte der Zoll im Kampf gegen Produktpiraterie den Code mittels Infrarot-Bestrahlung und einer Infrarot-Kamera erkennbar machen. Auch bei Reklamationen von Textilien könnten Händler per Infrarot-Kamera nachvollziehen, ob ein Marken- oder ein Nachahmerprodukt vorliegt.

Zu den smarten Textilien aus Denkendorf gehört auch ein Babybody, der vor dem plötzlichen Kindstod schützen soll. Dessen Sensoren zeigen über eine Computeraufzeichnung die Herz- und Atemtätigkeit sowie die Temperatur und die Schweißproduktion des kleinen Trägers an. Bei kritischen Werten wird Alarm ausgelöst. (tiw)

aha - werden die undicht, ...


Über die Sinnhaftigkeit kann man, muss man aber nicht weiter darüber nachdenken.


Aber das beste Zitat daraus...

"Allerdings erscheint das Brandrisiko eines Fahrzeugs mit E-Antrieb nach den bisher vorliegenden Zahlen geringer als bei Pkw mit Verbrennungsmotor"

NEIN!
Doch!
oooh...

Es erscheint nicht nur, es IST so.

‘Gebündelte Stärke
Unter dem Dach der DITF wird in drei Forschungsbereichen - dem Bereich Textilchemie und Chemiefasern, dem Bereich Textil- und Verfahrenstechnik sowie dem Bereich Management Research an allen textilen Zukunftsthemen gearbeitet. Eine angegliederte Produktservice GmbH, die als Technologietransferzentrum dem Markt ein breites Dienstleistungsangebot zur Verfügung stellt, unterstützt diese Aktivitäten.

Der Vorstand der DITF erarbeitet und koordiniert die Grundzüge der Wissenschafts- und Forschungsstrategie sowie die Ausbau- und Finanzplanung. Mitglieder des Vorstands sind:

Prof. Dr. rer. nat. Michael R. Buchmeiser, Leiter des Instituts für Textilchemie und Chemiefasern
Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser (Sprecher), Leiter des Instituts für Textil- und Verfahrenstechnik
Peter Steiger, Leiter des Bereichs Verwaltung und Zentrale Dienste
Das Kuratorium ist das Aufsichtsorgan und unterstützt durch seine Mitarbeit die Arbeit des Vorstands der DITF. Es berät den Vorstand in Fragen der fachlichen und strukturellen Ausrichtung und umfasst Vertreter aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Repräsentanten der Ministerien für Wirtschaft und Wissenschaft des Landes Baden-Württemberg. Die Wissenschaftlichen Beiräte der Forschungsbereiche bestehen aus deren Leitern, den wissenschaftlichen Mitarbeitern und Vertretern der Industrie. Sie beraten themenspezifisch direkt die einzelnen Bereiche.

Die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf sind eine Stiftung des öffentlichen Rechts, die der Aufsicht des Ministeriums für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg unterstehen.’

www.ditf.de/de/index/ditf/organisation.html

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‘Verein der Förderer der Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf e. V.
Der Verein der Förderer der Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung unterstützt seit seiner Gründung 1961 die wirtschaftsnahe Forschung und Entwicklung an den DITF. Aktuell engagieren sich 37 Mitglieder aus Industrie und Textilindustrieverbänden in dem Verein.

Mit ihren Mitgliedsbeiträgen und Spenden wird der Aufbau neuer Technologien unterstützt und innovative Vorlaufforschung finanziert. In den letzten Jahren wurden vorwiegend Einzelmaßnahmen gefördert wie der Ausbau des Lichtlabors, der Aufbau einer triaxialen Zugprüfmaschine und die Beschaffung von Anlagen und Prüfgeräten für die Entwicklung von Hochleistungsfasern. Diese Investitionen in die Infrastruktur der DITF kommen direkt den Unternehmen, insbesondere dem Mittelstand, zugute.

Der Förderverein ist offen für neue Mitglieder! Treten Sie ein! Fördern Sie die anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung an den DITF und gestalten Sie die textile Zukunft mit!’

www.ditf.de/


Das ist eine Baden-Württembergische Landesstiftung. Als Fraunhofer, die wenn ich es richtig weiss 50% der Gelder über Auftragsforschung erwirtschaften müssen, oder eine Hochschule oder Technische Uni wäre mir das lieber. Es sind zwar einige bekannte Unternehmen im Verein der Förderer. Aber, was das kostet, was die erwirtschaften und insbesondere wie nah die am realen Geschehen sind ist nicht wirklich offensichtlich.

(Als ca 2004 die EnBW an die EdF verkauft wurde hat man mit dem Geld die Baden-Württemberg Stiftung gegründet. Da sind sicherlich einige Versorgungsposten angefallen. Aber, als die EnBW vom CDU MP Stefan Mappus zurückgekauft wurde hat das Land einen Kredit aufgenommen. Die Baden Württemberg Stiftung wurde nicht aufgelöst)

„an der Schwelle“ für die Kommerzialisierung der Lithium-Schwefel-Akku-Technologie ?

Ist halt die Frage ob dieser Akku-Typ auf für Entnahme von großen Energiemengen wie beim E-Auto geeignet ist. Klingt auf jeden Fall interessant.