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Exponat 4 Batterie der Zukunft Anwendungstext im Exponat 4 Batterie der Zukunft Spannungsfeld Batterietechnik Der günstige, Schnellsprint-Sicherspeicher für Langstrecken – die Übermorgenbatterie hat viel zu tun: Kosten, Gewicht, Energieinhalt, Lebensdauer, Ladezeit und Sicherheit – schon bis 2015 sollen die elektrischen Auto-Antreiber deutlich fitter sein. Dafür tüfteln Fraunhofer-Forscher an neuen Materialien und deren Elektrochemie, je nachdem, welche Rohstoffe und wie viel davon künftig vermutlich zu haben sein wird. Ob das Zauberwort dann weiterhin „Lithium-Ionen-Technik“ heißt? Dafür gibt es noch viele Hürden zu bewältigen. Anforderungen Energie- und Leistungsdichte Vorbild Skifliegen: Was schafft ein Energiespeicher pro Größe und Gewicht? Per stop and go in die Zukunft bummeln wegen ständiger Ladestopps? Womöglich mit großen Batterien, die einer Treckerkarosserie Ehre machen? Die Übermorgenbatterie sieht anders aus. Sie liefert viel Energie und ist möglichst schlank und leicht – genau wie ein Skispringer. Wie er muss die Batterie ihre Energie in angemessen kurzer Zeit mobilisieren. Nur so kann ein Elektroauto wie gewünscht beschleunigen. Dabei gibt die Energiedichte an, wie viel Energie eine Batterie im Vergleich zu ihrem Gewicht speichert, und die Leistungsdichte, wie viel Energie der Speicher pro Zeit und Gewicht abgeben kann. Kosten Nicht billig, aber viel Wert: Das teuerste Stück Elektroauto Batt’ries are the Girls’ best Friend – so würde Marilyn Monroe heute hauchen. Tatsächlich ist eine Batterie fürs Elektroauto wertvoll wie ein Diamant: Sie kostet etwa so viel wie ein Kleinwagen, je nach Preis für Rohstoffe und Fertigung. Mit 350 bis 650 Euro ist man dabei – pro Kilowattstunde allerdings. Davon braucht es etwa 20–40, um längere Strecken von ca. 200 Kilometern fahren und das Auto im Winter auch noch heizen zu können. Seit gut zehn Jahren werden Lithium- Ionen-Batterien zwar günstiger. Und vermutlich sinkt der Preis auch weiterhin. Doch selbst optimistisch geschätzt bleibt der Energiespeicher wohl das teuerste Stück Eektroauto – The Girls’ best Friend von morgen eben. Zyklenfestigkeit und Lebensdauer Auf und nieder, immer wieder: Wie oft und lang hält eine Batterie das aus? Ein Auto hält gut ein Jahrzehnt, für diese Spanne ist es jedenfalls ausgelegt. So lange sollte auch die Batterie tüchtig sein und dabei immer wieder neu Strom abgeben und aufnehmen können – und Letzteres möglichst schnell. Sie muss lange leben und zyklenfest sein, wie der Fachmann sagt. Dafür müssen Forscher und Techniker ganz schön jonglieren: Soll das Auto pro Ladung weit fahren, ist es mit von-Null-auf- Hundert vorbei. Sprintet der Wagen dagegen los, kostet das Reichweite. Ganz zu schweigen, dass eine Batterie kurzfristige Leistungsspitzen aushalten muss: etwa beim Bremsen, wenn Energie geballt rückgeführt wird. Sicherheit Fraunhofer-Forscher arbeiten am richtigen Sicherheitskonzept Leistung top – aber nicht ohne Risiko: Lithium-Ionen-Akkus mit einem flüssigen Elektrolyt könnten auslaufen. Zum Beispiel, wenn dessen Hülle bei einem Unfall Schaden nimmt. Sie zu überladen, zu stark zu entladen oder eine Überhitzung können auch gefährlich sein. Vor allem wenn es dann zu einem „thermischen Runaway“ kommt – wenn die Temperatur in einer einzelnen Zelle unkontrolliert auf über Hundert Grad hochkocht: Die Elektroden zersetzen sich und reagieren mit dem Elektrolyten. Dabei wird wieder Hitze frei. Der Separator könnte schmelzen und es könnte einen „Kurzen“ geben 24 Exponat 4 - Batterie der Zukunft
Material und Zelle Die Qual der Wahl Fast richtig ist auch vorbei: Batteriebauer tüfteln am Material Die Anforderungen an die Sicherheit, Kapazität und Langlebigkeit stehen in Konkurrenz: Alles hängt zusammen und alles steht in Konkurrenz. Mehr vom Einen, kostet Anderes. Ein Dilemma – und das Mekka der Materialforscher: Sie tüfteln hin und her und probieren neue Stoffe für die einzelnen Batteriebausteine aus oder entwickeln Materialien einfach neu. Wie die Materialwürfel auch fallen, welcher Stoff wo sitzt, bestimmt, mit welchen Eigenschaften die Batterie an den Start geht. Keine Rose ohne Dorn… Lithium-Ionen-Akkus geben eine große Vielfalt an chemischen Möglichkeiten her. Lithium-Kobalt-Oxid liefert hohe Spannungen, aber sonst ist eher wenig dahinter. Ein Lithium-Nickel- Kobalt-Akku dagegen ist ein Energiekraftprotz. Allerdings besteht Brand- und Explosionsgefahr, wenn er überladen wird. Für ganz schnelle Akkus könnte die Anode aus Lithium-Titanat bestehen – bloß geht diese Variante ordentlich ins Geld und kostet Spannung. Derzeit könnte eine Kathode aus Lithium- Eisen-Phosphat der Kandidat mit den besten Aussichten für die nahe Zukunft sein. Lithium-Ionen: Bombige Technologie Leistungsstarke Technik stellt Forscher vor Herausforderungen Der Lithium-Ionen-Akku ist heute der aussichtsreichste Kandidat, reine Elektroautos rollen zu lassen. Deswegen konzentrieren sich Batterietechniker vor allem auf ihn. Er ist knapp ein Drittel kleiner und um die Hälfte leichter als Nickel-Metallhydrid-Batterien. Trotzdem sind sie gleich gut, was schnelles Laden, Langlebigkeit und hohe Leistung betrifft. Nur: Bei Schäden oder zu viel Hitze kann der Akku hochgehen – mit Bombenwirkung womöglich. Dann stehen nicht nur Laptops, sondern ganze Autos in Flammen. Neue Materialien für mehr Sicherheit Das Schicksal bestimmt allein die Batteriechemie: So genannte „eigensichere“Zellen sind kurzschlussfest, brennen oder explodieren nicht. Auch der thermische Runaway ist gebannt. Das schaffen allerdings nur neue Materialien. Hier haben Forscher noch viel zu tun. Für den Elektrolyten stehen derzeit flüssige Salze hoch im Kurs. Sie sind elektrochemisch stabil, entfIammen schwer und ihr Dampfdruck ist gering: Das Explosionsrisiko ist sinkt. Neue Materialien erkunden Fraunhofer-Forscher entwickeln besonders effektives Kathodenmaterial Je mehr hopp, desto top: Alles dreht sich darum, dass ein Auto-Akku möglichst viel Ladung speichern kann. Dafür untersuchen Fraunhofer-Forscher, welches Material zum Beispiel für die Kathode am besten ist. Sie testen, was ein Stoff kann. Das allein reicht aber nicht. Wie gut sich ein Material verarbeiten lässt, haben die Wissenschaftler auch im Blick. Dünn und porös – Die neue Zukunftsformel Die erste Generation von Lithium-Ionen-Batterien, mit der heute Laptops laufen, Smartphones klingeln oder Kameras blitzen, hat eine Kathode aus Kobalt-Oxiden. Sie machen einen Akku langlebig und die Energiedichte liegt immerhin schon bei 120 Wattstunden je Kilogramm – und das soll noch besser werden. Fraunhofer-Forscher testen nun ein eigenes Patent: Ein besonders dünnes, poröses Lithium-Kobalt-Oxid-Material soll die Energiespeicherung steigern. Elektroden und Elektrolyt Batterie trifft Nanotechnik: Die Winzigkeit macht’s Nicht nur der Kathodenstoff, auch bestimmte Materialien für die Anode sorgen für einen energetischen Kick: Hier ist Winzigkeit Trumpf. Als Speicher für die Lithium-Ionen werden klitzekleine Graphitteilchen eingesetzt – jedes nur wenige Nanometer groß, etwa 700-mal kleiner als eine Haardicke. Hier liegen die Lithium-Teilchen nicht nur zwischen den Exponat 4 - Batterie der Zukunft 25
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