"Man hat mit Lithium-Ionen-Akkus die höchsten Energiedichten, die wir erreichen können. Inzwischen sind auch Elektrodenmaterialien, Elektrolytmaterialien bezahlbar, dass heißt, den Mythos des sehr teuren, exotischen Systems, der ist abgefallen von dem Lithium-Ionen-System…"
… sagt Jens Tübke, Batterieentwickler vom Fraunhofer Institut für Chemische Technologie. Kein Wunder, dass Autokonstrukteure von der Lithium-Ionen-Technik begeistert sind. So begeistert, dass einige es gar für möglich halten, dank dieser Speicher reine Elektroautos auf den Markt zu bringen. Die würden wenig wiegen und trotzdem weit fahren können – was bislang undenkbar war: Konventionelle Akkus sind einfach zu schwer. Doch die Stärke der Lithium Ionen Akkus ist gleichzeitig ihre größte Schwäche:
"Zum Vergleich, nur dass man ein Gefühl dafür kriegt, in einer Batterie, die die Größe einer Dynamitstange hat, steckt deutlich mehr Energie als in der Dynamitstange."
Und werden die Akkus nicht exakt gefertigt, zeigen sie manchmal auch Reaktionen, die ein wenig an Dynamitstangen denken lassen, so Dirk Uwe Sauer, Experte für chemische Energiespeicher von der RWTH Aachen.
"Die meisten werden mitbekommen haben, im letzten Sommer die großen Rückruf-Aktionen von Akkus aus Laptops, wo es dann zu einigen Explosionen gekommen ist oder Feuerentwicklung – an einigen wenigen von sehr vielen, zehn Millionen Systemen, die im Feld sind, muss man auch sagen."
Grund dafür ist das verwendete Material. Die Elektroden der Lithium-Ionen-Akkus können aus vielen Elementen aufgebaut sein - derzeit bestehen sie in der Regel aus einer Verbindung von Lithium, Kobalt und Nickeloxyd. Das speichert am meisten Energie auf kleinem Raum, und das ist wichtig für kleine Geräte wie Handys oder Notebooks.
"Wenn man aber solche Systeme verwendet, dann muss man extrem darauf achten, dass man Spannungsgrenzen einhält, die oberen und unteren Spannungsgrenzen, dass man die thermisch nicht überlastet, dass man nicht zu hohe Stromdichten anlegt, weil diese Materialien einem Thermal Runnaway unterliegen können. Dass heißt, wenn Sie einen bestimmten Temperaturbereich überschreiten, so typischerweise zwischen 150 und 200 Grad, dann kommt es zu einer internen Zellreaktion, die sie nicht mehr von außen aufhalten können, da können sie auch nicht mehr von außen kühlen…"
… erklärt Jens Tübke. Das Problem sind kleine Plastik-Folien im Inneren der Zelle. Die trennen die unterschiedlich geladenen Pole voneinander so, dass zwar Ionen passieren können, die Pole selbst sich aber nicht berühren. Diese Folien vertragen nicht mehr als rund 150 Grad Celsius. Steigt die Temperatur in der Zelle höher – weil der Strom zum Laden zum Beispiel zu hoch ist – schmelzen sie. Die Folge ist eine Reaktion, bei der Hitze entsteht - die Zelle geht in Flammen auf.
"Also jede Einzelzelle muss also hinsichtlich der oberen und der unteren Leistungsgrenze überwacht werden. Wenn Sie da jetzt 2000 zusammenschalten, um auf ein großes Batteriemodul zu kommen, haben Sie einen sehr hohen Elektronikaufwand, sie haben einen sehr hohen Verdrahtungsaufwand. Das möchte ich eigentlich vermeiden, dass heißt, ich möchte hier Systeme verwenden, die etwas höhere Eigensicherheit besitzen."
Diese höhere Eigensicherheit lässt sich auf zwei Wegen erreichen: Zum einen arbeiten Ingenieure daran, die Trennfolie zwischen den Polen durch einen hitzebeständigeren Stoff zu ersetzen, sagt Gerhard Hörpel von Degussa.
"Dieses ist uns gelungen zum Beispiel mit dem keramischen Separator, der aufgrund seiner keramischen Natur natürlich deutlich höhere Temperaturen aushält als das ein Kunststoff-Separator tun könnte. Insofern ist eine Batterie, die mit einem keramischen Separator ausgestattet ist, in Sicherheitstests deutlich denen vergleichbarer Separatoren überlegen."
Zum anderen setzen sie auf andere Materialverbindungen für die Elektroden. Neu auf dem Markt – und auf dem Tisch von Jens Tübke – sind derzeit Lithium-Eisenphosphat Zellen.
"Dieses Lithium-Eisenphosphat unterliegt halt diesem Thermal Runnaway nicht. Dass heißt, die Zelle kann auch heiß werden, durch einen internen Kurzschluss, der durch einen Fabrikationsfehler passiert zum Beispiel, oder durch einen externen Kurzschluss. Aber diese Zelle geht nicht in den Thermal Runnaway, dass heißt, selbst bei Temperaturen um die 150, 160 Grad können Sie die Zelle noch wieder runter kühlen. Wenn zum Beispiel ein äußerer Kurzschluss wieder aufgehoben ist, dann kommt es eben nicht zu dieser exothermen Reaktion."
Damit muss die Zelle auch nicht so aufwändig überwacht werden wie die kobalthaltigen. Der Nachteil ist jedoch, dass die Energiedichte nicht mehr so hoch ist. Um die gleiche Leistung zu erreichen wie heute, sind also mehr Einzelzellen notwendig – das Gewicht erhöht sich etwas. Das allerdings lässt sich im Auto leichter verkraften.
… sagt Jens Tübke, Batterieentwickler vom Fraunhofer Institut für Chemische Technologie. Kein Wunder, dass Autokonstrukteure von der Lithium-Ionen-Technik begeistert sind. So begeistert, dass einige es gar für möglich halten, dank dieser Speicher reine Elektroautos auf den Markt zu bringen. Die würden wenig wiegen und trotzdem weit fahren können – was bislang undenkbar war: Konventionelle Akkus sind einfach zu schwer. Doch die Stärke der Lithium Ionen Akkus ist gleichzeitig ihre größte Schwäche:
"Zum Vergleich, nur dass man ein Gefühl dafür kriegt, in einer Batterie, die die Größe einer Dynamitstange hat, steckt deutlich mehr Energie als in der Dynamitstange."
Und werden die Akkus nicht exakt gefertigt, zeigen sie manchmal auch Reaktionen, die ein wenig an Dynamitstangen denken lassen, so Dirk Uwe Sauer, Experte für chemische Energiespeicher von der RWTH Aachen.
"Die meisten werden mitbekommen haben, im letzten Sommer die großen Rückruf-Aktionen von Akkus aus Laptops, wo es dann zu einigen Explosionen gekommen ist oder Feuerentwicklung – an einigen wenigen von sehr vielen, zehn Millionen Systemen, die im Feld sind, muss man auch sagen."
Grund dafür ist das verwendete Material. Die Elektroden der Lithium-Ionen-Akkus können aus vielen Elementen aufgebaut sein - derzeit bestehen sie in der Regel aus einer Verbindung von Lithium, Kobalt und Nickeloxyd. Das speichert am meisten Energie auf kleinem Raum, und das ist wichtig für kleine Geräte wie Handys oder Notebooks.
"Wenn man aber solche Systeme verwendet, dann muss man extrem darauf achten, dass man Spannungsgrenzen einhält, die oberen und unteren Spannungsgrenzen, dass man die thermisch nicht überlastet, dass man nicht zu hohe Stromdichten anlegt, weil diese Materialien einem Thermal Runnaway unterliegen können. Dass heißt, wenn Sie einen bestimmten Temperaturbereich überschreiten, so typischerweise zwischen 150 und 200 Grad, dann kommt es zu einer internen Zellreaktion, die sie nicht mehr von außen aufhalten können, da können sie auch nicht mehr von außen kühlen…"
… erklärt Jens Tübke. Das Problem sind kleine Plastik-Folien im Inneren der Zelle. Die trennen die unterschiedlich geladenen Pole voneinander so, dass zwar Ionen passieren können, die Pole selbst sich aber nicht berühren. Diese Folien vertragen nicht mehr als rund 150 Grad Celsius. Steigt die Temperatur in der Zelle höher – weil der Strom zum Laden zum Beispiel zu hoch ist – schmelzen sie. Die Folge ist eine Reaktion, bei der Hitze entsteht - die Zelle geht in Flammen auf.
"Also jede Einzelzelle muss also hinsichtlich der oberen und der unteren Leistungsgrenze überwacht werden. Wenn Sie da jetzt 2000 zusammenschalten, um auf ein großes Batteriemodul zu kommen, haben Sie einen sehr hohen Elektronikaufwand, sie haben einen sehr hohen Verdrahtungsaufwand. Das möchte ich eigentlich vermeiden, dass heißt, ich möchte hier Systeme verwenden, die etwas höhere Eigensicherheit besitzen."
Diese höhere Eigensicherheit lässt sich auf zwei Wegen erreichen: Zum einen arbeiten Ingenieure daran, die Trennfolie zwischen den Polen durch einen hitzebeständigeren Stoff zu ersetzen, sagt Gerhard Hörpel von Degussa.
"Dieses ist uns gelungen zum Beispiel mit dem keramischen Separator, der aufgrund seiner keramischen Natur natürlich deutlich höhere Temperaturen aushält als das ein Kunststoff-Separator tun könnte. Insofern ist eine Batterie, die mit einem keramischen Separator ausgestattet ist, in Sicherheitstests deutlich denen vergleichbarer Separatoren überlegen."
Zum anderen setzen sie auf andere Materialverbindungen für die Elektroden. Neu auf dem Markt – und auf dem Tisch von Jens Tübke – sind derzeit Lithium-Eisenphosphat Zellen.
"Dieses Lithium-Eisenphosphat unterliegt halt diesem Thermal Runnaway nicht. Dass heißt, die Zelle kann auch heiß werden, durch einen internen Kurzschluss, der durch einen Fabrikationsfehler passiert zum Beispiel, oder durch einen externen Kurzschluss. Aber diese Zelle geht nicht in den Thermal Runnaway, dass heißt, selbst bei Temperaturen um die 150, 160 Grad können Sie die Zelle noch wieder runter kühlen. Wenn zum Beispiel ein äußerer Kurzschluss wieder aufgehoben ist, dann kommt es eben nicht zu dieser exothermen Reaktion."
Damit muss die Zelle auch nicht so aufwändig überwacht werden wie die kobalthaltigen. Der Nachteil ist jedoch, dass die Energiedichte nicht mehr so hoch ist. Um die gleiche Leistung zu erreichen wie heute, sind also mehr Einzelzellen notwendig – das Gewicht erhöht sich etwas. Das allerdings lässt sich im Auto leichter verkraften.