Hybrid-Fahrzeuge - Lithium-Ionen-Batterie

Lithium-Batterien 4: Sicherheit ist konstruierbar. Aus den USA kam die Meldung, Toyota werde die Lithium-Ionen-Batterie f?r die n?chste Generation seiner Hybrid-Fahrzeuge nicht wie geplant zwischen 2008 und 2010 einf?hren, sondern fr?hestens 2011. Als Begr?ndung nannte das ?Wall Street Journal? in seinem Bericht die Gefahr einer ?berhitzung und letztlich einer Explosion der Batterie.

Zeitgleich mit dieser Meldung erreichte uns aus den USA eine zweite Lithium-Batterie-Meldung. General Motors verk?ndete dort, man werde mit dem amerikanischen Unternehmen ?A123Systems? Lihtium-Ionen-Speicherzellen entwickeln, die die deutsche Continental AG zu Batterien verschalten soll. Au?erdem besteht eine zweite Vereinbarung zwischen GM und einer US-Tochter des koreanischen Batteriehersteller LG Chem, aus dessen Speicherzellen ebenfalls eine Fahrzeugbatterie zu entwickeln. Die dritte Meldung zu Lithium-Batterien erreichte uns Dienstag (14. August). Danach ruft Nokia Millionen Lithium-Batterien aus seinen Mobiltelefonen zur?ck.

Was ist los mit der Lithium-Ionen-Batterie? Dazu sprachen wir mit Dr. Klaus Brandt, dem Gesch?ftsf?hrer der Gaia Akkumulatorenwerke im th?ringischen Nordhausen, die sich - wahrscheinlich als einziges Unternehmen in Deutschland - mit der Entwicklung von Lithium-Ionen-Speicherzellen und deren Zusammenschalten zu Fahrzeugbatterien befassen

Wo steht die Lithium-Ionen-Batterie heute beim Leistungsvergleich mit der Nickel-Metallhydrid-Batterie?

Die Lithium-Ionen-Technologie der heutigen Generation erm?glicht es, das Gewicht einer Batterie bei gleicher Leistung im Vergleich zur Nickel-Metallhydrid-Batterie zu halbieren. Das hei?t zum Beispiel, dass ein Plug in-Hybridfahrzeug oder ein Elektrostra?enfahrzeug bei gleichem Batteriegewicht beim rein elektrischen Fahren die doppelte Reichweite erzielt. Au?erdem haben die Batterien, wie wir sie bei Gaia herstellen, einen sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad, was die W?rmeentwicklung beim regenerativen Bremsen verringert und die Leistungsaufnahme verbessert.

Welche Potenziale vermuten sie mittel- und langfristig?

Heute werden neue Materialien f?r Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. die langfristig eine Verdopplung der gespeicherten Energie pro Gewicht erm?glichen werden. Ebenso wichtig sind auch Entwicklungen von neuer Elektrochemie, die andere Eigenschaften der Batterie wesentlich verbessern werden. Dazu z?hlen die Verbesserung der intrinsichen Sicherheit der Zellen, die Erh?hung der Lebensdauer und die h?here elektrische Leistung. Gaia hat daf?r zum Beispiel zus?tzlich zur eigenen Standardchemie gro?formatige Zellen mit einem neuen Kathodenmaterial auf der Basis einer Eisenverbindung (Eisenphosphat) entwickelt. Diese Zellen bieten neben einer h?heren Sicherheit auch eine verbesserte Lebensdauer.

Worin besteht das Risiko bei einer Lithium-Ionen-Batterie?

Das ist bei Batterien nicht anders als beim Benzintank. Alle Systeme, die viel Energie auf kleinem Raum speichern, stellen ein Risioko dar, wenn diese Energie unkontrolliert freigesetzt wird. Bei Batterien kommt es dann zu einer gro?en W?rmeentwicklung und unter Umst?nden zu Feuer, da ein Teil der Zellkomponenten von Lithium-Ionen-Batterien brennbar ist. Diese Gefahr ist im Allgemeinen dann am h?chsten, wenn die Batterie voll geladen ist. Bei vielen elektrochemischen Systemen stellt daher die ?berladung der Zellen, vor allem mit hohen Str?men, ein Risiko dar. Mechanische Einwirkungen von au?en oder Qualit?tsm?ngel k?nnen zu internen Kurzschl?ssen f?hren. Dann wird die gespeicherte Energie im Inneren der Zelle freigesetzt, was ebenfalls zu Feuer f?hren kann.

Mit welchen Verfahren kann man dieses Risiko vermeiden?

Wir bei Gaia betrachten die Sicherheit der Zelle im Zusammenhang mit dem gesamten System, also auf der Ebene der Zelle ebenso wie auf der der Batterie und deren Anwendung. Bei der Zelle kommt es darauf an, die richtigen Materialien auszuw?hlen und bei der Auslegung der Zelle deren Sicherheit ?ber die Optimierung von Energieinhalt und Leistung zu stellen. Toleranzen sollten daher weit genug ausgelegt werden, um die Wahrscheinlichkeit von Fertigungsfehlern extrem gering zu halten. Die bereits erw?hnte intrinsische Sicherheit der Elektrochemie spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Zus?tzlich finden Sicherheitselemente wie Berstmembranen und mechanisch stabile, Schock resistente Komponenten und Batteriegeh?use Anwendung.

Auf der Batterieebene wird ein sogenanntes Batteriemanagement ben?tigt. Diese intelligente Elektronik ?berwacht die Spannung und den Ladezustand jeder einzelnen Zelle, den Strom in der Batterie sowie Temperaturen an vielen Stellen innerhalb der Batterie. Mit Hilfe dieser Informationen k?nnen eine Anzahl von Risiken, zum Beispiel das ?berladen der Batterie und auch einzelner Zellen, vermieden werden.

Nicht zuletzt muss die Sicherheit des Gesamtsystems betrachtet werden. Hierzu geh?ren bei einem Fahrzeug zum Beispiel die Belastungen, denen die Batterie bei einem Unfall ausgesetzt werden kann, dar?ber hinaus auch das Zusammenspiel zwischen dem Batterie-Managementsystem und dem Energiemanagement des Fahrzeugs. Auch muss auf Basis der Anforderungen der Anwendung entschieden werden, welche Elektrochemie eingesetzt wird.

Aus allem wird deutlich: Es ist von gro?er Bedeutung, dass der Batteriehersteller den gesamten Prozess von der Elektrodenfertigung bis zur kompletten Batterie samt deren Managementsystem unter Kontrolle hat und sehr eng mit dem Abnehmer der Batterie zusammenarbeitet, um die Sicherheit zu gew?hrleisten.

Ist es sicherer, viele kleine Zellen oder weniger gro?e Zellen zu einer Batterie zusammenzuschalten?

Jede elektrische Verbindung ist eine m?gliche Fehlerstelle. Es ist daher im Sinne der Zuverl?ssigkeit und der Sicherheit geboten, die Anzahl der Zellen zu minimieren. Es muss eben die Sicherheit jeder einzelnen Zelle ?berwacht werden. Das f?hrt bei Batterien mit vielen kleinen Zellen zu hoher Komplexit?t und damit niedrigerer Zuverl?ssigkeit. Gaia hat deswegen gro?formatige Zellen von sechs Amperestunden (Ah) bis 500 Ah entwickelt und kann mit kleinen Zellenzahlen pro Batterie operieren.

F?r welche Einsatzzwecke werden Ihre Batterien heute eingesetzt?

Der gr??te Markt von Gaia sind zur Zeit die milit?rischen Anwendungen. Diese reichen von unbemannten Unterwasser- und Landfahrzeugen bis hin zu Anwendungen in Luft- und Raumfahrt. Durch unsere amerikanische Muttergesellschaft Lithium Technology Corporation haben wird Zugang auch zum amerikanischen Markt.

Au?erdem verbinden wir gro?e Erwartungen mit dem Bereich der erneuerbaren Energien. Das Stichwort dazu lautet ?Load leveling?, also das Speichern von Strom, wenn er im ?berfluss entsteht, um ihn bei Bedarf wieder abzugeben. Zur Zeit sind wir au?erdem in der Notstromversorgung f?r die Pitch-Verstellung von Windgeneratoren pr?sent. Dar?ber hinaus l?uft in den USA ein Entwicklungsprojekt f?r die Notstromversorgung von Telecomanlagen.

Wo stehen Sie mit Ihren Entwicklungen f?r das Hybrid-Fahrzeug?

Wir haben die Leistungsf?higkeit unserer Batterien in Hybrid-Fahrzeugen bei einer Anzahl von Demonstrationsprojekten bewiesen, zum Beispiel in einem von der britischen Firma Zytek zum Plug in-Hybrid umgebauten Smart ForFour, und wir kooperieren mit Automobilzulieferern in der Entwicklung von Hybridantrieben f?r Nutzfahrzeuge. Aber auch andere Anwendungen im Automobilbereich sind wahrscheinlich, einschlie?lich der Verdr?ngung des Bleiakkus als Bordnetzbatterie.