Herstellung Bipolar-Elektrode, Bild: Fraunhofer IKTS

Herstellung der Bipolar-Elektrode im Technikums-Maßstab. Bild: Fraunhofer IKTS

In Elektroautos stecken je nach Modell Hunderte bis Tausende separate Batteriezellen. Jede einzelne ist von einem Gehäuse umhüllt, über Anschlüsse und Leitungen mit dem Auto verbunden und von Sensoren überwacht. Gehäuse und Kontaktierung nehmen mehr als 50 Prozent des Raums ein. Die Zellen können so nicht beliebig dicht aneinander gepackt werden. Die aufwändige Bauweise raubt Platz. Ein weiteres Problem: An den Anschlüssen der kleinteilig aufgebauten Zellen entstehen elektrische Widerstände, die die Leistung reduzieren.

Brennstoffzellen nach Embatt-Konzept stapeln

Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTSund seine Partner haben unter dem Markennamen Embatt das Bipolar-Prinzip, das von der Brennstoffzelle bekannt ist, auf die Lithium-Batterie übertragen. Einzelne Batteriezellen sind bei diesem Ansatz nicht kleinteilig getrennt nebeneinander aufgereiht, sondern großflächig direkt übereinander gestapelt. Der gesamte Aufbau für Gehäuse und Kontaktierung fällt somit weg. So passen mehr Batterien in das Auto.

Durch die direkte Verbindung der Zellen im Stapel fließt der Strom über die gesamte Fläche der Batterie. Der elektrische Widerstand wird dadurch erheblich reduziert. Die Elektroden der Batterie sind so konstruiert, dass sie Energie sehr schnell abgeben und wieder aufnehmen können. "Durch unser neues Packaging-Konzept hoffen wir mittelfristig die Reichweite von Elektroautos auf bis zu 1000 Kilometer zu steigern", sagt Dr. Mareike Wolter, Projektleiterin am Fraunhofer IKTS. Im Labor funktioniert der Ansatz bereits. Partner sind ThyssenKrupp System Engineering und IAV Automotive Engineering.

Keramische Materialien speichern Energie

Wichtigster Bestandteil der Batterie ist die Bipolar-Elektrode – eine metallische Folie, die mit keramischen Speichermaterialien beidseitig beschichtet wird. Eine Seite wird dadurch zur Anode, die andere zur Kathode. Als Herz der Batterie speichert sie die Energie. "Wir nutzen unser Know-how bei keramischen Technologien, um die Elektroden so zu designen, dass sie möglichst wenig Platz benötigen, viel Energie speichern, einfach herzustellen sind und lange halten", sagt Wolter.

Keramische Werkstoffe liegen als Pulver vor. Die Wissenschaftler mischen es mit Polymeren und elektrisch leitfähigen Materialien zu einer Suspension. "Diese Rezeptur muss speziell entwickelt werden – jeweils angepasst für Vorder- und Rückseite der Folie", erklärt Wolter. Die Suspension bringt das Fraunhofer IKTS im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf die Folie auf. "Eine Kernkompetenz unseres Instituts ist es, keramische Werkstoffe vom Labor in den Technikums-Maßstab zu bringen und sie zuverlässig zu reproduzieren." Im nächsten Schritt ist geplant, größere Batteriezellen zu entwickeln und in Elektroautos einzubauen. Erste Tests im Fahrzeug streben die Partner bis 2020 an. hei