Die Reichweite und Leistung eines Elektrofahrzeugs hängt unmittelbar von seinen Batterien ab. Lithium-Ionen-Akkus gelten als besonders geeignet: Sie können besonders viel Energie speichern und nutzen sich auch bei häufigem und unvollständigem Laden nur wenig ab. Batterieexperten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart arbeiten nun gemeinsam mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sowie der Universität Ulm daran, Lithium-Ionen-Batterien effizienter, billiger und sicherer zu machen. Mit dem Projekt "Li-EcoSafe" wollen die Wissenschaftler dazu beitragen, die Alltagstauglichkeit und damit die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bei den Verbrauchern zu verbessern.
Die Vielfalt machts – unterschiedliche Typen von Lithium-Ionen-Batterien
Bei diesem Batterietyp wandern Lithium-Ionen zwischen den beiden Elektroden, meist in einem flüssigen Medium, dem Elektrolyten. Je nach Aufbau und eingesetzten Materialien entstehen spezielle Varianten wie Lithium-Kobaltoxid- oder Lithium-Eisenphosphat-Batterien, deren Eigenschaften sich teilweise deutlich unterscheiden. "Um das Konzept der Lithium-Ionen-Batterie weiterzuentwickeln, sind für uns besonders die chemischen Reaktionen an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyten interessant. Denn sie beeinflussen die Eigenschaften der jeweiligen Batterie", erklärt Dr. Norbert Wagner, der beim DLR-Institut für Technische Thermodynamik in Stuttgart das Projekt betreut. Mit diesem Wissen lassen sich neue Materialien für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien entwickeln oder die Oberfläche der Elektroden so gestalten, dass diese möglichst vorteilhafte Eigenschaften aufweist und die Batterien sicher betrieben werden können.
Ob Überladen oder hohe Temperaturen: Batterien im Härtetest
Dafür bauen die DLR-Experten unterschiedliche Lithium-Ionen-Batterien auf und erproben sie in umfangreichen Laborversuchen. In Testschränken werden die Batterien immer wieder geladen und entladen. Die Wissenschaftler beobachten dabei, wie sich die Speicherkapazität entwickelt und wie sich die Batterie in Grenzbereichen verhält, zum Beispiel beim Überladen oder hohen Temperaturen. "In diesem Zusammenhang interessieren wir uns für die Frage, unter welchen Bedingungen und an welchen Orten es innerhalb der Batterie zu schädlicher Wärmeentwicklung kommt, meist aufgrund unerwünschter Nebenreaktionen", beschreibt Norbert Wagner die Arbeiten. Diese Wärmeentwicklung kann dazu führen, dass sich der Elektrolyt zersetzt und Sauerstoff entsteht. Der Druck im Inneren der Batterie nimmt zu und kann sie zum Bersten bringen oder in Brand setzen.
Um die Vorgänge möglichst genau zu erfassen und zu verstehen, arbeiten die DLR-Forscher außerdem an neuartigen Messmethoden, die in Zukunft auch zur Entwicklung neuer Batteriemanagementsysteme beitragen können. Diese liefern dem Fahrer eines Elektroautos beispielsweise auf Knopfdruck aktuelle Informationen über den Lade- und Gesundheitszustand sowie die Lebensdauer seiner Batterie.
